* 本文來源： 碳化硅芯觀察

* 本文作者：廣東能芯半導(dǎo)體科技有限公司姜南 博士

▍寫在前面

——在功率半導(dǎo)體器件“上車”之后

近年來，在新能源汽車（以混動(dòng)汽車為起點(diǎn)）得到資本、政府與消費(fèi)者的認(rèn)可之后，功率半導(dǎo)體器件作為其電能轉(zhuǎn)換的核心，也成為了資本市場的寵兒-

尤其是特斯拉引入SiC功率器件之后。從英飛凌、三菱、安森美、意法半導(dǎo)體、中車時(shí)代電氣等公司修煉多年的各路英豪在目前的車規(guī)級(jí)功率半導(dǎo)體器件市場內(nèi)各顯神通，部分希望通過借鑒英飛凌的Hybridpack模塊的封裝形式來切入標(biāo)準(zhǔn)化的電驅(qū)應(yīng)用領(lǐng)域；

另外一部分則另辟蹊徑，通過引入雙面冷卻設(shè)計(jì)與環(huán)氧樹脂塑封技術(shù)，希望能登臨技術(shù)高峰，實(shí)現(xiàn)模塊可靠性與性能的降維打擊。

而器件可靠性測試標(biāo)準(zhǔn)則成為驗(yàn)證以上產(chǎn)品是否有能力“上車”的不二指標(biāo)。

▍車規(guī)級(jí)可靠性測試標(biāo)準(zhǔn)有哪些
目前備客戶所認(rèn)可的功率半導(dǎo)體器件可靠性測試標(biāo)準(zhǔn)有兩種，即AQG-324與AEC-Q101，分別代表著模塊與單管兩種器件的測試要求。

至于其他由國內(nèi)各單位、團(tuán)體等機(jī)構(gòu)提出的可靠性測試標(biāo)準(zhǔn)都基本源于以上兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容。

在客戶詢問器件對應(yīng)的可靠性驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，筆者一般會(huì)推薦AQG-324，因?yàn)槠湓谛蜓灾袊?yán)格限制了該標(biāo)準(zhǔn)的適用領(lǐng)域：“This document defines requirements, test conditions and tests for validating properties, including the lifetime of power electronics modules and equivalent special designs based on discrete devices, for use in power electronics converter units (PCUs) of motor vehicles up to 3.5 t gross vehicle weight.” 

這也印證了筆者一直推廣的概念，在“車規(guī)級(jí)功率半導(dǎo)體器件測試標(biāo)準(zhǔn)”中，“車”是主題，而“半導(dǎo)體器件”是手段。

任何芯片的更改（SiC或GaN的應(yīng)用）與封裝結(jié)構(gòu)及材料的使用（雙面冷卻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用）僅能增加測試項(xiàng)目或更替測試方法，而不能改變體系對器件的可靠性要求。

▍AQG-324標(biāo)準(zhǔn)說了什么
AQG-324標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)包含四種類的測試，分別是模塊測試（QM）、特性測試（QC）、環(huán)境測試（QE）與壽命測試（QL）。

標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的測試項(xiàng)目通過模擬器件在實(shí)際使用情況所受到的各種類型應(yīng)力，老化器件封裝與芯片的薄弱點(diǎn)，從實(shí)現(xiàn)器件實(shí)際使用壽命的加速驗(yàn)證。

模塊測試（QM）主要通過檢測器件的靜態(tài)電學(xué)參數(shù)、互連層與外觀缺陷從而確保器件符合進(jìn)行下一步測試的基本前提要求以及測試后的功能性指標(biāo)。

特性測試（QC）主要用于驗(yàn)證器件的動(dòng)態(tài)電學(xué)特性、短路特性、熱阻與絕緣耐壓特性，從而評(píng)估器件的產(chǎn)品品質(zhì)。

環(huán)境測試（QE）通過采用溫度變化條件以及機(jī)械振動(dòng)/沖擊來驗(yàn)證功率器件在車輛中的環(huán)境適應(yīng)性。 

在2021年版本的QE-01 Thermal Shock（TST）中，不再強(qiáng)求兩廂式/吊籃式的溫度沖擊測試方案，一箱體式溫度循環(huán)或三箱體式溫度沖擊方案在效果上也被認(rèn)定為與之等同。其基本的測試要求如下表所示。 

如果客戶對于產(chǎn)品在環(huán)境溫度測試中表現(xiàn)有疑慮（多為塑封器件），則筆者會(huì)推薦其借鑒《QC/T 1136-2020 電動(dòng)汽車用絕緣柵雙極晶體管模塊環(huán)境試驗(yàn)要求及試驗(yàn)方法》。

在此標(biāo)準(zhǔn)中，溫度沖擊與溫度循環(huán)測試都納入了考核指標(biāo)。

在筆者所操作的QE-01 Thermal Shock（TST）中，熱電偶將粘貼于器件底部（或模塊散熱器內(nèi)部）用于測試器件溫度是否在溫度箱的溫度變換的時(shí)間范圍內(nèi)達(dá)到tdwell>15min的基本要求。

因?yàn)槟承┛蛻魪?qiáng)烈要求在1個(gè)小時(shí)內(nèi)完成1個(gè)高低溫沖擊的循環(huán)次數(shù)，因此，箱體的高/低極限溫度設(shè)定將遠(yuǎn)超過器件最高或最低的儲(chǔ)存溫度，從而極易在1000個(gè)循環(huán)之內(nèi)造成器件損壞。故而，筆者建議客戶在TST實(shí)驗(yàn)中，寧可通過延長恒溫時(shí)間而不是增加箱體溫度來達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。

在壽命測試（QL）中，分別考量器件在極限溫度（高溫/低溫）、長時(shí)間耐壓（HTRB/HTGB/H3TRB）與多次開關(guān)循環(huán)（power cycling）條件下的失效。其中，功率循環(huán)測試（power cycling）為AQG-324標(biāo)準(zhǔn)中操作難度最高的測試項(xiàng)目，且具有最蹊蹺的判定要求。

▍功率循環(huán)是什么？
功率循環(huán)測試（power cycling）的原理很簡單：通過導(dǎo)入電流使芯片發(fā)熱，然后在關(guān)斷電流的情況下使芯片降溫，如此反復(fù)，在不斷的造成器件內(nèi)部溫度不均勻分布結(jié)合器件封裝材料物理特性的差異（例如熱膨脹系數(shù)CTE）造成器件內(nèi)部的互聯(lián)結(jié)構(gòu)的逐漸老化從而最終造成器件的失效。

下圖為功率循環(huán)測試過程中電流導(dǎo)通與芯片溫度變化的示例。

 下圖為功率循環(huán)測試（power cycling）中，器件內(nèi)部溫度分布以器件形變情況。

在功率循環(huán)測試（power cycling）過程中，通過采集器件熱阻參數(shù)與正向?qū)妷簛泶_定器件是否損壞。在測試過程中，如果發(fā)現(xiàn)器件正向?qū)妷旱耐蝗簧咔闆r，則表明器件內(nèi)部的鍵合線發(fā)生了脫落或者斷裂的情況。如果熱阻參數(shù)升高，則表明器件在散熱路徑上出現(xiàn)損傷。

在功率循環(huán)測試（power cycling）中的失效判定如下所示，其包含鍵合線失效與焊料層失效等多種失效模式。

功率循環(huán)測試（power cycling）是各類型測試標(biāo)準(zhǔn)中必備項(xiàng)目，然而其他標(biāo)準(zhǔn)與AQG-324的要求最大的不同之處在于AQG-324中并沒有規(guī)定功率循環(huán)測試的壽命要求。AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)要求如下：

其中，AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)是筆者最不推薦作為功率循環(huán)測試判定指標(biāo)的，因?yàn)樵谄錁?biāo)準(zhǔn)設(shè)立之時(shí)，功率半導(dǎo)體器件還并未應(yīng)用于新能源車的主驅(qū)部分。

中國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確立秒級(jí)與分鐘級(jí)功率循環(huán)的測試指標(biāo)，其中分鐘級(jí)測試借鑒了AEC-Q101的測試要求。

AQG-324標(biāo)準(zhǔn)對功率循環(huán)的要求并不以具體的循環(huán)次數(shù)作為判定標(biāo)準(zhǔn)，而是需要在不同時(shí)間參數(shù)與溫度參數(shù)的條件下驗(yàn)證產(chǎn)品方所提出的壽命模型（lifetime model）。

大部分客戶對于壽命模型的建立都比較陌生，對于不同產(chǎn)品間的壽命模型的比較方案也無經(jīng)驗(yàn)。因此對于功率循環(huán)測試方案的設(shè)定成為AQG-324標(biāo)準(zhǔn)中重點(diǎn)。

寫在最后

實(shí)際上，功率半導(dǎo)體器件如何達(dá)到“上車”的要求上，整個(gè)產(chǎn)業(yè)還處于一個(gè)朦朧的狀態(tài)。不過，當(dāng)前有不少車企親自下場入局功率半導(dǎo)體器件市場，相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)化與統(tǒng)一也將進(jìn)行的更快，畢竟車規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的最終目的還是為車企服務(wù)。