随着了工业制造水平的发展,IPM 的生产技术得到了极大的发展,器件的可靠性问题将是未来研究的面临的新挑战。针对国内外近年来在智能功率模块失效分析方面的主要研究内容,综述了智能功率模块应用失效的测试方法以及失效定位技术,总结了连续性失效,绝缘性失效,HVIC 故障,IGBT 故障,NTC 故障的测试方法,并分析了这些器件故障可能的失效原因。最终总结了通过测试方法进行快速 IPM 失效的故障定位方法
 
0 引言
 
IPM(Intelligent Power Module),即智能功率模块,将功率开关器件和驱动电路集成在一起,内部包括了过压保护,过流保护,过温保护,短路保护,欠压保护等检测电路。当发生负载事故或使用不当时,可将检测信号送到 CPU,保证自身不受损坏。IPM 因其运行可靠性高,功能强大,并具有自诊断和保护功能,广泛应用于驱动电机的变频器和各种逆变电源[1]。
 
IPM 的使用过程中会产生各种故障,在尽可能小的破坏芯片的同时,通过功能测试的方法快速定位失效位置是一项非常关键的技术,也是其中不可缺少的一个重要环节。文章从智能功率模块的结构开始,主要介绍 IPM 电路结构和模块测试方法,为快速故障区域定位提供依据,大大缩短了失效分析周期。
 
1 IPM 电路结构
 
以三相逆变器为例,其内部结构如图 1 所示。
 
图 1 智能功率模块内部结构原理图
 
其基本组件包括:
 
(1)6 个 IGBT 逆变器电路功率模块,IGBT1 到 IGBT6 组成逆变桥。
 
(2)6 个快速超软恢复续流二极管(ultra-soft Freewheeling Recovery Diode, FRD),FRD1-FRD6 是与六个主 IGNT 反并联的回馈二极管。
 
(3)3 个半桥高压栅极驱动器(High Voltage Integrated Circuit ,HVIC),提供了无需光电耦隔离的 IGBT 驱动能力,大大降低了逆变系统的总成本。HVIC 设定了最佳的 IGBT 驱动条件,驱动电路与 IGBT 距离短,输出阻抗低,不需要加反向偏压。
 
(4)1 个负温度系数热敏电阻(NTC Thermistor)控制温度变化。IPM 内部的绝缘基板上设有温度检测元件,检测绝缘基板温度(IGBT,FRD 芯片异常发热后的保护动作时间比较慢),对于芯片的异常发热能高速实现过热保护。
 
(5)3 个滤波电容器(RC),RC1-RC3 分别对 3 个 HVIC 电源输入端进行滤波处理。
 
2 IPM 故障测试及失效定位
 
IPM 模块内部元器件众多,相互关联相互影响,而分离各个元器件需要首先对芯片进行去模封处理,处理的过程可能产生新的影响。因此,通过测试方法尽快准确定位失效区域是很重要的。
 
对此,本文提出了一个完整的故障测试流程,如图 2 所示,能够针对 IPM 模块的各个组件进行测量,在尽可能小的损坏芯片的情况下快速定位故障位置。
 
图 2 智能功率模块漏电流测试流程
 
2.1 绝缘性测试
 
绝缘性测试又称高压测试。测试的基本原理是将一规定交流或直流高压施加在电器带电部分和不带电部分(绝缘外壳)之间以检查芯片绝缘材料所能承受耐压能力[2]。
 
实验室采用耐压测试仪进行绝缘性测试。如图 3 所示,将所有管脚短接接测试仪负极,芯片背部铜基板接电源正极,根据产品数据手册,测试电压必须在 5s 内逐渐地上升到所要求的试验电压值(例如 3kV 等),保证电压值稳定加在被测绝缘体上不少于 5s,此时所测回路的漏电流值与标准规定的泄漏电流阈值相比较,就可以判断被测产品的绝缘性能是否符合标准 .
 
图 3 绝缘性测试示意图
 
绝缘测试失效时,失效区域主要在封装介质上。主要失效模式包括:
 
1)介质内空洞(图 4a)。导致空洞产生的主要因素为环氧树脂内的有机或无机污染、封装过程操作不当等。空洞的产生极易导致漏电,进而导致器件内局部发热,降低介质的绝缘性能从而导致漏电增加[3]。
 
2)机械应力裂纹(图 4b):在应用过程中,较大的应力可能造成芯片的应力裂纹,导致耐压降低。如图 4 所示,顶针压力设置过大,造成 DBC, Direct Bonding Copper 陶瓷附铜基板产生应力裂纹,最终产生绝缘测试失效。应用过程中的人员的不当操作,机器故障;元件接插操作等都可能产生芯片的外力损伤[3]。
 
(a)介质空洞引发的高压从测试失效
 
(b)覆铜陶瓷基板应力裂纹造成绝缘失效
图 4 绝缘测试故障失效模式
 
2.2 热阻测试
 
热阻是表征 IPM 电路散热性的重要参数,由于 IPM 往往内置多个功率器件,因此对于散热的要求非常高。如果电路的热阻不佳,将导致功率器件产生的热量无法及时散发,使 IPM 内部的电路处于高温的工作状态,这将 IPM 的使用寿命和性能都受到影响。IPM 模块内置 1 个负温度系数热敏电阻(NTC)控制温度变化。如果基板的温度超过设定阈值,IPM 内部的保护电路关断门极驱动信号,不响应控制输入信号,直到温度降下来到另一设定阈值以下,IGBT 方可恢复工作。
 
实际测量 NTC 热敏电阻的方法与与测量普通固定电阻的方法相同。简单快速的验证方法是将 IPM 模块 T1,T2 管脚连接数字万用表,对 IPM 进行加热,如果其阻值不变化或者电阻无穷大,则说明已损坏。

 

 
如果需要精确测量 NTC 热敏电阻,则需要对 IPM 模块进行去模封处理,将 NTC 热敏电阻裸露出来,先在室温下测得电阻值 RT1;再用加热台作热源对热敏电阻进行极加热,测出电阻值 RT2,同时使用红外测温仪测出此时热敏电阻 NTC 表面的平均温度。实验室采用数字万用表测量热敏电阻在不同温度下的电阻值,利用收集到的数据,在 Matlab 中[4]可绘制 NTC 热敏电阻的 R-T 曲线,如图 5 所示。并利用最小二乘法确定热敏指数 B[5]。
 
图 5 NTC 热敏电阻 - 温度曲线
 
其主要的失效机理有:NTC 焊接不良(图 6a),外力损伤产生应力裂纹(图 6b),电极有效面积减少,非平衡态的转变过程,晶粒表面态的变化,过电应力等[6]
 
图 6 热阻测试故障失效模式
 
2.3 连续性测试
 
连续性测试是通过在待测管脚施加正向偏置,测量待测管脚二极管的自然压降,以此确定连接性的方法。这项测试能够有效的对 IPM 各个管脚之间的电路进行检测。
 
实验室采用 I/V 曲线追踪仪确定管脚间电路是否有异常。因为 IPM 内部各通道相互独立(通道 U,V,W),因此可以逐步对各通道施加激励进行检测。管脚间测试实际上就是测试芯片内部 ESD 保护电路。ESD 保护电路一般设计在焊盘(Bond Pad)附近[7],保护电路的差异也会影响 IV 曲线的测试结果,因此需要与正常品进行对比。如图 7 所示,正常标准品测试曲线如曲线 1,失效品测试曲线如曲线 2,存在一定漏电流。因此,可以通过连续性测试方法将失效区域定位在管脚间的连接电路。
 
(a)电源输入端 I-V 曲线测试
 
(c)低压输出端 I-V 曲线测试
图 7 连续性测试 IV 曲线示意图
 
连续性失效存在于测试脚之间的电路。当管脚间连接线断开或者键合失效,出现开路失效(图 8);当测试脚之间存在金属丝残留,或者内部电路金属层融化,则出现短路失效;当内部二极管存在工艺缺陷或者被外界干扰所损伤时,也可能造成短路及漏电流失效[8]。
 
图 8 管脚键合线断开造成开路失效
 
2.4 超快恢复二极管特性测试
 
超快恢复二极管是一种具有开关特性好,反向恢复时间极短的半导体二极管,能够给 IGBT 作续流、吸收、箝位、隔离、输出和输入整流器,使开关器件的功能得到充分发挥。反向导通电压是指 IPM 内置功率开关器件(IGBT)处于关闭状态时,当从 FRD 流过一定的电流后,FRD 两级之间的电压差。
 
超快恢复二极管特性测试方法及正常品测试曲线如图 9 所示。因为直接对二极管施加偏压不会影响到 IPM 其他电路,因此在不需要施加 VCC 偏压的条件下就能完成对二极管性能的检测。
 
图 9 超快二极管特性测试
 
超快速二极管失效固有失效主要表现在晶圆设计工艺结构缺陷、焊接工艺问题,导致晶圆焊接时产生高温铜迁移,抗机械应力水平下降。在实际应用中又因为器件引脚跨距设计不合理导致器件受机械应力影响加深失效程度,最终出现过电击穿失效(图 10)。
 
图 10 超快二极管欧姆接触失效

 

 
2.5 IPM 模块功能测试
 
IPM 模块实现正常工作的参数主要包括集电极 - 发射极电压 VCES,集电极 - 发射极电流 ICES,集电极 - 发射极饱和电压 VCESAT 和集电极峰值电流 ICM。
 
2.5.1 高压漏电流测试
 
高压漏电流(IDSS)的测试也包括两部分,即 IPM 内置功率开关器件处于关闭状态下的 CE 漏电流测试和 IPM 内置 HVIC 的高压端(VS)漏电流测试。
 
基本测试电路如图 11 所示,对相应通道的 HVIC 提供激励使得 IGBT 处于关闭状态(电源输入端输入供电电压,Vboot 高压悬浮接口输入电压高于供电电压,将 HIN 高电平信号输入端接地与 LIN 低电平信号输入端输入接地,T1MOS 管关断),在集电极 - 发射极施加电压,增加 VCE 到规定值,所测得的 IC 即为 ICES。曲线 1 为正常品高电压漏电,曲线 2 为失效品测试结果,相对于正常品漏电流增大,同时击穿电压降低。
 
 
图 11 高压漏电流测试
 
2.5.2 通态饱和压降测试
 
IGBT 通态饱和压降 VCEsat 是指在门极电压驱动下,IGBT 工作于饱和区,IGBT 集电极(C)与发射极极(E)之间的电压差。饱和压降是衡量 IGBT 是否过流的重要指标。
 
基本测试电路如图 12 所示,对相应通道的 HVIC 提供激励使得 IGBT 处于饱和状态(电源输入端输入供电电压,Vboot 高压悬浮接口输入电压高于供电电压,将 HIN 高电平信号输入端接地,LIN 低电平信号输入端输入逻辑‘1’,T1MOS 管达到饱和状态),在集电极 - 发射极施加规定电压,达到饱和值时,电流急剧增大。
 
 
图 12 正向导通电压测试
 
在门极驱动电压存在的情况下,发生 IGBT 过流,VCE 会急剧上升,一般当 VCE 大于饱和压降 10us 左右,IGBT 就会损坏。
 
针对 IPM 模块功能参数测试需要驱动 HVIC 提供开关信号至 G 极,因此,当测试结果出现异常时,需要根据具体的失效来判断具体的失效位置在 HVIC 还是 IGBT 区域。例如,击穿电压降低,漏电流增大,但是曲线符合高压漏电测试曲线趋势时,可以将失效位置定位在 IGBT 上。如果 IGBT 没有被正常开启,则故障位置很可能在 HVIC 上。
 
2.6 分离元器件功能测试
 
当 IPM 模块功能测试结果不足以判断失效位置,或者 IGBT 确认失效而无法确认是否为 HVIC 故障导致的 IGBT 失效时,需要将 IGBT 与 HVIC 分离,进行进一步的测量。
 
实验室采用去模封处理,将 HVIC 输出端与 IGBT 绑线进行切割的方法实现分离,然后使用探针台对分离后的元器件分别进行搭线,完成测试过程。
 
2.6.1 IGBT 参数测试
 
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管),是由 BJT(双极型三极管)和 MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降两方面的优点。IGBT 器件的芯片结构和等效电路[9]如图 13 所示。
 
图 13 IGBT 芯片结构和等效电路图

 

 
IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给 PNP(原来为 NPN)晶体管提供基极电流,使 IGBT 导通。反之,加反向门极电压消除沟道,切断基极电流,使 IGBT 关断。IGBT 的栅极(G)为多晶硅材料,与 N 基区中间间隔一层 SiO2 绝缘层。作为绝缘层的 SiO2 层非常薄,十分容易受损,因此,对 IGBT 的安全可靠与否进行评估的重要参数就是 IGSS 漏极短路时截止栅电流,IDGO 源极开路时,截止栅电流。
 
实验室采用曲线追踪仪 AC 模式,按图 14 完成 IGBT 参数测量。
 
(a)正常品 IGSS 漏极短路时截止栅电流
 
(b) 正常品 IDGO 源极开路时,截止栅电流
 
图 14 IGBT 参数测试
 
IGBT 模块失效原因主要有:过温,过流(图 15),过压,动态雪崩击穿,热电载流子倍增,表面问题、金属化问题、压焊丝键合问题、芯片键合问题、封装问题、体内缺陷等[10]。
 
图 15 液晶聚集点发现过流引起的金属熔化现象
 
2.6.2 HVIC 参数测试
 
连续性测试能够对 HVIC 的输入端做基本的检测,但是 HVIC 输出端与 IGBT 相连,因此,在对 IGBT 进行功能检测时需要首先将 HVIC 从 IPM 模块中进行分离。所以,针对 HVIC 芯片进行测试。驱动 IC 应用电路如图所示。对驱动 IC 进行功能验证时,需要借助外围电路对 IC 驱动能力进行验证。驱动输出波形如图 16 所示。正常品 HVG,LVG 输出波形满足真值表;失效品输出波形异常,LVG 输出正常,HVG 无输出。
 
(a) HVIC 应用电路图
 
(b)HVIC 驱动输出波形图
 
(c) HVIC 驱动真值表
 
图 16 HVIC 应用测试及输出
 
由 EOS 和 ESD 造成的 IC 失效占现场失效器件总数的 50%左右[11]。HVIC 主要的失效来源于过电应力。过电应力是指芯片在使用过程中电源端所加的应力超过器件所规定的最大应力。在过电应力的作用下,在器件局部形成热点,热点温度达到材料熔点时,会形成开路或短路失效,破坏电路结构(图 17)。
 
图 17 HVIC 内部保护电路发现 ESD 引起 VIA 熔化现象
 
3 结 论
 
本文详细叙述了针对 IPM 故障的测试定位方法,列出了不同内部组件的测试方法及可能的失效机理。借助外围电路,通过失效品与正常品的 IV 曲线,输出波形的对比,逐步定位具体的故障范围。分析结果表明,不同的失效模式选择不同的失效验证方法,为快速故障区域定位提供依据,
 
参考文献
 
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[2]  王贵虎 . 浅谈耐压测试[J]. 电子质量,2011(3);60-61
 
[3]  文斌 . 谈谈电气装置绝缘失效的原因及预防措施[J]. 机械与电子,2006(7):34-34
 
[4]  苏金明,王永利 .Matlab7.0 实用指南[M]. 北京:电子工业出版社,2004..
 
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[6]  梁俊文,王恩光 .MF-11 型 NTC 热敏电阻失效机理分析[J]. 华中理工大学学报,1993(2):5-9
 
[7]  曹燕杰,王勇,朱琪,等 .IC 设计中的 ESD 保护技术探讨[J]. 电子与封装,2012,12(12) :24-30
 
[8]  龚瑜 . 电源管理 IC 失效模式验证及定位方法[J]半导体技术,2018(5):405-406
 
[9]  Wintrich A, Nicolai U, Tursky W, et al. Application Manual Power Semiconductors[S]. ISLE-Verlag,2011.
 
[10]  马晋,王富珍,王彩琳 .IGBT 失效机理与特征分析[J]电力电子技术,2014,48(3):71-73
 
[11]  AMERASEKERA E A, Najm F N. Failure Mechanisms In Semiconductor Device[M].USA : John Wiley&Sons1998.