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    Power Tester

    功率循环及热测试平台

     

    一、产品概述

    Power Tester首次同时集成了自动功率循环、热测试以及结构函数分析功能,客户只需要一个平台就能够在线器件进行热测试及可靠性研究。

    Power Tester在功率循环过程中实时监控电流(包括栅极电流)、电压以及结温等参数,并定期执行热瞬态测试,利用结构函数分析循环过程中封装结构的改变和缺陷等。

    Power Tester可以用于帮助客户加强以及加速封装结构研发、可靠性测试以及可靠性筛选等工作。

    Power Tester可以帮助用户设计更加可靠的电子封装产品。Power Tester提供的特性化测试数据,可以直接导出给热仿真软件FloTHERM,利用实测结果来实现模型自动校准功能,帮助用户得到精确的,符合实际的仿真模型。

    Power Tester可以帮助用户获得功率电子器件在真实应用条件下的使用寿命。

     

    二、产品信息

        

           Power Tester 1500A/1800A/3600A                        Power Tester 600A                                                             

     

     

    1、 功率输出模块

     

    PWT 1500A 3C

    PWT 1500A 12C

    PWT 1800A 12C

    PWT 3600A 12C

    PWT 600A 16C

    加热电流

    500A * 3

    500A *3

    600A *3

    1200A *3

    600A

    沟道压降

    8V

    8V

    12V

    6V

    48V

    栅极电压

    -10V~20V

    -10V~20V

    -10V~20V

    -10V~20V

    -30V~30V

    最大功率

    12KW

    12KW

    21KW

    21KW

    28.8KW

    最多可同时测试器件数

    3

    12

    12

    12

    16

                                               PWT 1500 功率输出模块示例

     

    2、测试模块

    热瞬态测试通道 栅极电流I(g,off)监测通道

    内置T3Ster技术,瞬态采样率最快1s,

    可在功率循环期间定期生成结构函数

    测试范围:250 pA.. 100A

     

    温度探测器

    1、每块液冷板的出水口和中心位置各有一个pt100探测器

    2、额外预置了三个温度传感器接口,可利用其测试任意位置的温度。用户需自行提供传感器,支持负温度系数传感器或热电偶。


     

    4、冷板

    1)左板

          用于K-系数测试

          需要外部的温控循环设备(推荐Julabo)

    2)右板

          用于功率循环

          需要外部的冷水机或者循环水

          电气阀(自动控制流量开/关)

          可配置冷却液流量 (手动)

    3)样品固定夹具

          每块冷板上配备有可移动的导轨,导轨上有压紧杆。

           可以将器件固定在冷板上任意位置.

    4)液体泄漏保护

           内嵌液体探测器,配备泄漏排水管

     5)通过T型阀门,用户可以使用自己的液冷板

    6)PWT 600A不包含液冷板,用户可以使用自己的液冷板

       

     

    5、安全设计

    1)一体化实验箱设计

    2)透明的Lexan保护罩方便目测,防止测试期间受外界干扰

    3)自动探测保护罩是否打开大电流仅在保护罩关闭的情况下才允许开起防止被高温金属烫

    4)烟雾探测器 系统将会紧急停止一旦探测到烟雾

    5)液体泄漏探测器 系统将会紧急停止一旦探测到液体泄漏

    6)系统状态灯塔

    7)紧急停止按钮

     

     

    6、计算机配置

    1)内嵌控制PC高可靠性工控机& 自带操作系统保证长时间工作的稳定性

    2)触摸屏操作不需要鼠标或键盘

    3)为PC专门提供UPS,保证紧急断电或其他情况下的数据安全

     

    三、测试模式

    1、热瞬态测试:用于测试待测器件的结温,热阻,并进行结构函数分析 

    – 遵循JEDEC JESD 51-1 静态测试法 

    – 遵循IEC 60747的测试方法 

    – 利用结构函数分析散热路径的热传导结构 

    – 支持利用JEDEC JESD 51-14标准定义的瞬态热界面法测试结壳热阻RthJC

     

    1)k系数测试

     

     

     

     

    2)热测试

    – 通入工作功率,使结温在特定的散热环境下升高达到饱和。

    – 将工作功率快速切换到进行k系数测试时的测试电流。

    – 在结温下降过程中,实时采集pn结电压,再通过K系数得到结点的降温曲线,采样间隔最快为1us。

     

    3)结构函数分析——描述器件热传导路径的模型

     

     

    Ø 结构函数上越靠近y轴的地方代表着实际热流传导路径上接近芯片有源区的结构,而越远离y轴的地方代表着热流传导路径上离有源区较远的结构。

    Ø 积分结构函数是热容—热阻函数,曲线上平坦的区域代表器件内部热阻大、热容小的结构,陡峭的区域代表器件内部热阻小、热容大的结构。

    Ø 在结构函数的末端,其值趋向于一条垂直的渐近线,此时代表热流传导到了空气层,由于空气的体积无穷大,因此热容也就无穷大。从原点到这条渐近线之间的x值就是结区到空气环境的热阻,也就是稳态情况下的热阻Rja 。

     

    2、 全新测试模式:同时进行功率循环和热测试模式

    – 利用功率循环对待测器件施加老化应力

    – 根据器件达到失效的循环数预估其寿命

    – 功率循环期间定期进行热瞬态测试,并监控系统参数 (VCE 和IGate )

    – 功率循环期间,任何与老化降级相关的热效应都可以在不移动待测器件的情况下通过结构函数在线监测

    – 系统会根据用户提前设定的条件增加热瞬态测试的频率

     

    1)功率循环模式

    在功率循环过程中,提供各种不同的功率模式,包括:

    – 恒定电流

    – 恒定壳温的变化ΔTC

    – 恒定结温的变化ΔTJ

    – 恒定功率的变化ΔP

     

    2)、功率循环功能

    – 功率循环期间,记录的数据包括:

    电学参数:UCE ,栅极电流I(g,off), ΔP等

    热学参数 :ΔTJ , Tjmax, Tjmin,, ΔTJ / ΔP,Rth以及结构函数等

    电学参数记录

    热学参数记录

    功率循环信息记录

     

     

    四、测试流程

    1、创建器件并定义器件参数

    (1)定义器件种类并选择测试方法。系统会根据用户的选择自动切换不同的接线方式

    创建器件

    (2)、设置k系数测试参数

              用户可设置测试电流,栅压,温度范围以及温度稳定判据

             

    器件定标参数设置

    2、 热测试

    设置热测试的参数,用户可自定义测试时间,也可以使用自动热稳态判定。

             

    3、 功率循环测试

    (1) 设置功率参数,包括热测试加热电流,功率循环电流等

    功率参数设置

    (2) 设置测试参数

    设置热测试间隔时间,栅极电流测试间隔时间等。

           

    测试参数设置

    用户可提前预设电压,结温,电流等参数,当该指标达到一定条件后,可以自动更改热测试间隔。

    自动测试间隔设置

     

    (3) 设置功率循环参数

    选择功率循环模式,设置on和off的时间以及最大功率循环数等参数

    设置功率循环参数

    (4) 设置失效判据

    用户可通过绝对值或者百分比的方式设置器件失效的判据,当器件参数达到失效判据,功率循环将停止。

    设置失效判据

    (5)设置液冷板的水流量

    设置水流量

     

    五、技术亮点

    1、先进的测试理念:同一个测试平台可以同时进行功率循环和热测试,任何与老化降级相关的热效应都可以在不移动待测器件的情况下通过结构函数在线监测,与传统的老练设备相比更加节省时间,能获得完整的实效数据。

    2、先进的测试技术:使用世界领先的热测试设备T3Ster的热瞬态测试技术及结构函数分析方法。

    3、测试范围广:测试包括功率MOSFET,功率IGBT以及功率二极管等电力电子设备。

    4、简单易用的触摸屏界面:功率循环测试期间能够记录包括电流、电压、结温、结构函数以及结构改变等信息在内的参数。

    5、多种功率循环模式:测试平台包含了恒定时间Ton和Toff,恒定电流,恒定壳温变化ΔTC,恒定结温变化ΔTJ以及恒定功率变化ΔP等模式。

    6、实时结构函数诊断:方便用户快速地获得循环过程中的缺陷,对应的循环数以及失效原因等。

    7、无需功率循环后的实验室检测及破坏性失效分析:无需再使用传统的x射线、超声波或者其他的破坏性方法来进行失效分析。

    8、测试操作简便:用户只需根据提示将器件对应管脚连接到设备,无需了解器件的具体接线方式。

     

     

     

    测试案例

     

    1、电动汽车用IGBT寿命预估

    (1)寿命预估流程

     

    (2)测试寿命曲线中的数据点并估算寿命

    n 阿伦尼斯模型:      

    n 扩展的阿伦尼斯模型

    —   (used by: Fuji Electric) 富士电机使用

    — (used by: Infineon)英飞凌使用

    — Lifetime estimation

    寿命估算

         

     

     

     

     

     

     

     

    2、利用结构函数检查功率循环对器件封装结构的影响

    实验人员针对四组不同的IGBT模组,施加相同的功率循环模式,设定了相同的失效判据,进行了长时间的功率循环测试。

    目视检测:

    经过功率循环后,芯片表面会出现金线断裂,烧焦等现象。

    基本上所有的IGBT失效都是由于过热以及栅极氧化层的损坏。

    结构函数检查:

    通过结构函数分析,可以清晰地显示出粘结层热阻随着功率循环数目增加的变化。

     

    4、 不同功率循环手段对器件寿命的影响

    (1)试验参数:

    器件安放在温控液冷板上

    液冷板温度: 25 ℃

    各种功率循环模式*(包括恒定电流,恒定功率变化ΔP以及恒定结温变化ΔTJ

    每隔250次循环周期后,执行一次热瞬态测试

    (2)、利用结构函数识别die attach层老化情况

    在恒定电流模式下,待测器件的封装结构随着功率循环次数的增加并未出现明显变化

    在恒定结温改变的模式下,待测器件的die attach质量在功率循环值25000次后,开始出现老化现象。

    (3)、结温不同对寿命的影响

    在同样是恒定ΔTj的情况下,当ΔTj=120℃时,其达到失效的循环次数为36000次,当ΔTj=110℃时,其达到失效的循环次数为58000次。

     

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