SiC MOSFET学习笔记5：车规级功率半导体模块可靠性标准

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2023-02-16 08:08:09 890

功率半导体的车规可靠性标准比较多，主要有美国汽车电子委员会的AEC标准（主要是针对晶圆）和欧洲电力电子中心的AQG324（针对模块）。今天主要复习AQG324这个标准。

先讨论一个工程逻辑：任何一个新产品，在设计之初就应该考虑其使用的可靠性，设计有缺陷，后期工艺上是很难弥补的，因此，当可靠性测试出现问题时，首先要考虑设计（产品设计，工艺设计）上的问题。因此，可靠性测试实际上也是对产品设计的一个检验。

电动汽车的功率半导体，特别是SiC MOSFET或者Si IGBT模块，因为是用在动力心脏---电驱动上；主驱的工况较为恶劣，一旦出问题就会导致整车失去动力，因此其可靠性测试项目要相比其他汽车电子严格。

欧洲电力电子中心这套标准严格说不算标准；它只是提及到了实验方法，且只是部分测试项点给了通过判定条件；还有一些测试项点并没有给出严格的判断标准；所以一般国内功率器件厂商相对更多引用行业内的标准，或者有的大型车企自己也会定一个相对更严格的判定条件。

那么一般会测哪些内容呢？三大类QC/QE/QL。

QC（Qualificationof Characterization）是特性表征测试；包含模块产品自身的寄生电感（杂散电感）；热阻；短路能力；绝缘能力；还有一些机械参数；

所有的QC项目都是非破坏性的，也就是说；实验后的样品，没有问题的话是可以继续使用的。

QE（Qualificationof Environment）指环境实验项目；包含三项：温度冲击实验，机械振动实验和机械冲击实验。QE类实验全是破坏性的；也就是说，模块做完测试验证合格后，也无法再进行使用了，只能封存或者报废。

QL（Qualification of Lifetime）是寿命实验项目，有时候也叫耐久实验；目的是检验模块的工作寿命是否满足要求；包含7项：

PCsec秒级功率循环；PCmin分钟级功率循环；HTSL高温存储；LTSL低温存储；HTRB高温反偏；HTGB高温栅偏；H3TRB高温高湿栅偏。

其中特别值得关注的是秒级功率循环PCsec；其测试原理是：给芯片通规定的大电流，让芯片发热，在5s内让芯片依靠自身工作发的热，将芯片强行加热到其最大工作温度，然后瞬间断电，同时冷却水不断对模块进行强制冷却，直到冷却到温度差为100℃；然后再继续给芯片通电，让其给自身强制加热；再强制冷却。。。如此反复；至少做XXXXX次。。。

分钟级功率循环原理一样；不过把导通时间规定变得更长了。

这个项目本身考验很多点；其中对芯片的顶部金属化层和发射极键合线键合点的考验最严苛；键合线热膨胀系数与芯片表面铝层热膨胀系数不同；芯片热膨胀系数与DBC板不同导致的。损伤的结果主要是绑定线脱落，断裂，芯片焊层分离。

资料来源：姜南博士

个人认为，PC功率循环是表征模块可靠性的一个非常重要的指标，因为这个实验积累的累积损伤模型数据很重要；在拿到汽车行驶的工况信息后；可以结合累积损伤模型和功率谱密度；通过雨流算法，直接推断出模块能否满足装车后的驾驶里程寿命（30万公里以上？）。

再来看其他几项；

HTRB，高温高压反偏测试，测试IGBT芯片的耐高压的可靠性。

HTGB，高温门极应力测试，测试IGBT芯片门极的耐压可靠性。

H3TRB，高温高湿反偏测试，测试IGBT芯片在高湿环境的可靠性。

值得一提的是；如今很多半导体厂商已经不满足于低压80V下的H3TRB，而是直接将器件两端的阻断电压提升到了80%的Vbr：HV-H3TRB，高压高温高湿反偏测试，这是H3TRB的更严苛版本，因为高湿的本质是对芯片钝化层的一种腐蚀，而高压会加速这种腐蚀，这个测试非常考验芯片终端区和钝化层的能力。

所以，电动汽车电驱动用模块可靠性测试主要包括以上测试项点；

个人认为，每个项点都很重要，但是阅读排序可以分先后：PCsec，PCmin，HTGB，H3TRB，HTRB，TST，VVF。。。

当然，如果产品是一个系列，那么有许多项目是可以省略掉的；比如一个新产品只是进行了芯片升级；那么只需要做和芯片电相关的PCsec，PCmin，HTGB，HTRB，H3TRB即可

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