我们今天的话题很严肃：IGBT功率循环和寿命测试。虽然这个话题可能对那些觉得智能手机操作系统让生活更轻松的人来说，并不重要。但IGBTs已经在相当长一段时间内塑造了我们的技术版图。汽车、火车、飞机、轮船、涡轮机、逆变器、电源，甚至你的洗衣机，都收到了一些“IGBT-love”。“以我的洗衣机为例，当洗衣篮满了或者当衣服都在冷水里泡着，很明显是洗衣机坏了。我想强调的是可靠性这个话题。

IGBTs的典型应用之一是三相逆变电路。这些逆变电路差异非常大。例如，电动机，可以以不同的速度旋转。风力涡轮机的转速为每分钟12到24转，而汽车发动机的转速可达每分钟几千转。这意味着IGBTs必须承受从连续到短脉冲的负载。对于电子产品来说，这可能是一项相当费力的活动，就像感恩节后想去跑步一样。你的心脏跳得很快，你开始出汗，你想做的就是找一个凉爽的地方放松一下。本质上，这也是IGBT想要的。施加在该装置上的热机械应力可能是致命的，并常常与许多不同的失效模式有关，比如die attach失效、键合线破裂等等。然而，正如“热机械”这个词所暗示的，这可以通过智能设计、材料科学和尽可能的冷却（cool）来解决。

图1：IGBT逆变电路

IGBT的三个主要部件可分为die attach、芯片互连和DBC/底板。所有这些都是研究的重点(例子如下)，在这些研究中不断出现的新想法也需要进行测试和验证。

考虑到热问题直接关系到器件的使用寿命，在元件或组件的使用寿命内测试热性能是最有效的。

我们可以通过使用结构函数来做到这一点。你可能先会问什么是结构函数? 结构函数是通过测量热瞬态(温度随时间的变化)来描述从芯片热源向外的热流路径的热阻和热容网络。如果你知道我在说什么，你可以直接去收200美元。

从本质上来说，结构函数源自热瞬态测量。热瞬态测量技术测量的是器件的结温随时间变化的温度。举个简单的例子，一个小小的硅芯片肯定比一个300千克的散热器冷却得更快， 导致整个器件的温度变化，在开始在芯片层传递的时候非常快，然后随着热量移动到后面更大的封装体时变化会更慢。因此，结果看起来像一个指数函数(图2)。

图2

我们知道，每种结构都有自己的热阻和热容层，这可以形成等效的RC网络。

鉴于每一层都有不同的热阻热容属性,因此时间常数τ，就会由于热量在器件中不同结构中传递时表现不同。这个瞬态过程随后通过我们的专业分析软件被转换成一个叫做结构函数的东西，以方便用户来表征整个器件的热学信息。

图3：RC网络

图4：显示从最小（左）到最大（右）层的热阻和电容的结构函数

有趣的是，我们通过结构函数收集到的关于热流在通过系统时，是如何受到实际封装结构影响的信息，甚至可以与封装结构的几何信息结合起来：

数学家可能会说，我们可以让 面积“A”无限大，我们就不会有这个问题。然而，一般的工程师通常很乐意了解它在应用程序中的实际工作方式。

图5：Area A趋于无穷大时的概念图

对于测试工程师来说，会自然而然地问到一个问题， 那就是结构函数如何在功率循环的是过程中，给予我们帮助与指导呢?为什么我们需要结构函数?令人惊讶的是，这是一个简单的答案。在业界还没有意识到功率循环的重要性之前，一般只要知道总热阻就足够了。随着研发变得更加复杂，有时候即使对更小的结构进行优化都是远远不够的。Die attach是否失效?结合线时候依然良好?是否是不良热界面导致的这个问题? 最终我们还是希望在系统出故障之前，对其进行研究，找出它出故障的原因。

   当设备出故障时，Vce(集电极-发射极电压)会上升。然而，在以下两种情况下Vce会出故障:

1， 键合线断裂，产生更高的电阻，从而提高电压。更高的电压也意味着更高的功率，也就是说产生了更高的热量。

图6：功率循环期间，键合线断开

2， 器件的热阻增大，导致器件更热。随着器件变热，导致电压上升，最终也产生了更高的功率水平。

图7：功率循环期间，die attach随多次循环而退化

本质上，这些影响很难分离，除非我们有一个明确的方法。利用结构函数，我们可以确定散热路径的热阻究竟有没有增大。如果没有，那么这就是键合线的问题。有人会争论说，他所需要的就是检测总热阻是否增大而已。然而这种观点大错特错了！只知道总热阻的话，我怎么知道是哪层结构出了问题，如何修复它？如果我不把结构函数表征和功率循环结合起来，在整个周期中怎么可以看到器件的封装结构的实际变化呢? 使用传统的方法，你可能必须要先移除这个器件，然后再进行一些S.A.M测量或者转移到不同的测试平台来测试。可现在我们拥有了结构函数，它可以帮助我们得到所有的封装结构信息，为什么还要费这么大的劲呢?

总之，不仅要考虑单个因素对系统可靠性的影响，尤其是当热阻对寿命有直接影响的时候。随着新产品的研发，不同的配置和应用场景，所有的因素都可能随着应用的不同而变化。这种变化应该是一个可测量的值，而不仅仅是设备是否持续了100或100万小时的简单表述。

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