CN102680819A - 电力电子器件的加速寿命测试电路及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种电力电子器件的加速寿命测试电路，其第一开关(K1)的一端与被测器件的漏极(D)相连，第一开关(K1)的另一端与被测器件的栅极(G)相连。放电电阻(R1)的一端与被测器件的栅极(G)相连，放电电阻(R1)的另一端与被测器件的源极(S)相连。恒流测试电源的正极与被测器件的漏极(D)相连，恒流测试电源的负极与被测器件的源极(S)相连。失效判断电路的两个输入端分别与测试电源的正极和负极相连。第二开关(K2)的一端与被测器件的漏极(D)相连，第二开关(K2)的另一端与恒流加热电源的正极相连，恒流加热电源的负极与被测器件的源极(S)相连。

Description

电力电子器件的加速寿命测试电路及测试方法

技术领域

本发明涉及电力电子器件的功率循环寿命测试电路和测试方法。

背景技术

在现代电力电子器件封装所关注的问题中，各种不同材料的连接可靠性是一个主要的问题。由于各种封装材料具有不同的热膨胀系数，器件在应用时因半导体芯片产生的开关损耗和通态损耗而引起的温度波动，或者周围环境温度的改变，均会造成如键合引线脱落、焊接层裂纹等疲劳失效问题。为了测试器件封装的可靠性，业内通常采用热循环试验(被动循环试验)和功率循环试验(主动循环试验)等加速测试方法，其中功率循环可以更加真实地模拟芯片的实际发热机制：试验时通过控制电源的输出，给被测器件施加不同的加热电流，当对被测器件施加电流时，器件瞬间产生大热量，使器件的结温上升，当结温上升到期望值后再断电冷却到一定温度，重复加热和冷却产生温度循环。由于直接加热芯片，因此试验中可快速提升结温，利用高效的散热系统，功率循环试验可进行超快速循环，可实现的循环次数远高于被动热循环的次数。通常，功率循环试验和热循环试验中的寿命终止失效机理是不同的，功率循环试验特别是短时功率循环(循环周期小于10秒)最常见的失效是键合引线断裂或脱落。

现代电力电子器件，特别是大功率电力电子模块(如IGBT模块、MOSFET模块)，为了获得更大的通流能力，通常采用多芯片并联的方式。图1为典型的IGBT模块内部其中一只“开关”的实际电路结构图，从图中可见，IGBT内部的任何一只“开关”均由多只IGBT芯片和二极管芯片并联而成(不同的电流规格，并联的芯片数从几片到十几片不等)，全部芯片的门极通过键合引线连接到同一个外部门极端子G，全部芯片的漏极连接到同一个外部漏极端子D，全部芯片的源极连接到同一个外部源极端子S上。这种多芯片结构中，任何一只芯片上的引线出现失效，均会给整个器件的工作带来严重的影响，因此在进行功率循环试验时，采用的测试电路及测试方法应能够对任何一只芯片出现的失效做出及时的判断。

传统功率循环测试方法如图2所示，通常在被测器件的门极G施加一恒定电压Vg，门极电阻Rg和门极电容C1分别起限流和滤波的作用。通过控制开关K1，使加热电流Ih间断的从被测器件的漏极D流到源极S，从而使被测器件内部芯片结温及电流流通路径上的键合引线的温度升高和降低。由于芯片与芯片表面的键合铝丝二者的热膨胀系数存在差异，结温不断的升高和降低将导致铝线出现疲劳断裂或整体脱落。由于试验过程中需要实时监测芯片结温，因此每次实验前需要测试不同芯片结温条件下对应的导通压降，即所谓的温度敏感系数，描绘出器件的导通压降随温度变化的特性，这样在实际测试时，通过测量导通压降即可间接计算出当时的芯片结温。由于测试电流Im比较小，通常为几个毫安，因此不会引起芯片结温的上升，图2中测试电流Im一直流过被测器件，当开关K1断开仅有测试电流Im流过被测器件时，失效判断电路将采集到的被测器件导通压降换算成芯片结温用于失效判断。

对电力电子器件进行功率循环试验是检测铝线键合可靠性的一项重要的手段，然而传统功率循环测试方法存在两个不足：

一是测试过程中，门极电压Vg一直加在门极G和源极S两端，因此被测器件一直处于完全导通状态，导通压降较小。为了使被测器件的芯片结温在开关K1闭合过程这一短暂时间内(通常在10秒以内)上升到一较高的温度，所需的加热电流Ih将很大，因此基于传统方法制造的功率循环测试设备不得不配置一台能够输出较大电流的加热电源，然而对于测试一些大功率的电力电子器件，需要的加热电流往往要达数千安培，为了获得如此大的输出电流不得不将数十台电源并联使用，设备制造成本非常高。

二是传统方法无法准确检测门极引线出现断裂或脱落的时间。这是因为传统功率循环测试方法中，门极一直施加恒定电压，即使全部芯片上的门极引线均出现断裂或脱落，但由于门极漏电流非常小(通常为几百纳安)，门极电荷仅依靠漏电流释放，门极电压需要经历很长的时间才能下降到开启阈值电压以下，此时被测器件才能完全关断，只有被测器件完全关断后，失效判断电路检测到一突变电压，方能做出门极引线故障判断。可见，从门极引线出现断裂或脱落到失效判断电路做出故障判断，存在较大的时间误差，即传统功率循环测试方法在门极引线故障判断上存在缺陷。

发明内容

本发明的目的是克服现有试验方法所需加热电源电流大，以及在门极引线故障判断存在时间误差的缺点，提出一种电力电子器件的加速寿命测试电路及其测试方法。

本发明采用的技术方案如下：

本发明测试电路包括第一、第二开关、放电电阻、恒流测试电源、恒流加热电源和失效判断电路。第一开关的一端与被测器件的漏极相连，第一开关的另一端与被测器件的栅极相连。放电电阻的一端与被测器件的栅极相连，放电电阻的另一端与被测器件的源极相连。恒流测试电源的正极与被测器件的漏极相连，恒流测试电源的负极与源极相连。失效判断电路的两个输入端分别与测试电源的正极和负极相连，失效判断电路检测被测器件的导通压降并转换为被测器件的结温，用于做失效判断：结温超出失效判定值，则器件失效，否则认为器件完好。第二开关的一端与被测器件的漏极相连，第二开关的另一端与恒流加热电源的正极相连，恒流加热电源的负极与被测器件的源极相连。

本发明测试方法步骤如下：

1、闭合第一开关，使被测器件处于临界饱和导通状态，接着闭合第二开关，加热电流及测试电流同时流过被测器件，使被测器件内部芯片结温上升，结温上升至设定值后，断开第二开关，此时仅有测试电流流过被测器件，失效判断电路将检测得到的被测器件导通压降转换为对应的芯片结温。

2、判断源极引线是否失效：失效判断电路检测到的第二开关断开瞬间对应的结温若超过失效判定值，则判定源极引线失效，否则，判定源极引线完好，测试过程中，每次断开第二开关均进行结温测试。

3、源极引线失效判断完成后，断开第一开关，进行门极引线失效判断：此时，仍然只有测试电流流过被测器件，若测试电流流过被测器件产生一个相对小的电压降，失效判断电路检测到这一电压，将做出门极引线失效判断，相反，如果失效判断电路检测到一大电压，则失效判断电路会做出门极引线完好判断。

若上述步骤执行完毕后，全部引线均判定为完好，则重复以上步骤，直至出现失效或达到设定的测试循环数终止。

本发明的工作原理如下：

1、门极引线失效检测：如果全部芯片的门极引线完好，第一开关闭合时注入的门极电荷将全部通过放电电阻释放，此种情况下，被测器件处于关断状态，测试电流流过被测器件将会产生一个无穷大的电压降，失效判断电路检测到这一无穷大电压，将做出门极引线完好判断。实际上本发明中的两个电源均工作在恒流限压模式，一旦输出电压超过设定的极限电压，电源会自动切换到恒压工作模式，避免损坏被测器件。如果被测器件的门极引线存在脱落现象，门极上存储的电荷将无法通过放电电阻释放，因此断开第一开关无法关断被测器件中所有的功率半导体芯片，此种情况下，被测器件中门极引线出现脱落的芯片仍处于开通状态，测试电流流过被测器件会产生一个相对小的电压降，失效判断电路检测到这一电压，将做出门极引线失效判断。

2、源极引线失效检测：本发明将第二开关断开瞬间对应的结温作为芯片源极引线失效判据，因为如果某一只芯片的源极引线出现断裂或脱落，加热电流将从剩下未出现引线脱落的芯片上通过，势必引起这些完好芯片流过的平均电流增加，导致芯片结温升高。测试过程中，每次断开第二开关均进行结温测试，若测得的芯片结温超过失效判定值，失效判断电路将做出源极引线失效判断，否则，失效判断电路将做出源极引线完好判断。

本发明有别于现有技术的特征主要有两点：

一是将被测器件的源极和门极短路，目的是使被测器件工作在临界饱和状态，此时被测器件的导通压降相对于工作在完全饱和状态时增加数倍(例如IGBT典型的饱和压降为2V，而临界饱和压降通常超过6V)，导通压降增加所带来的好处是：使结温上升同样的幅值，所需的加热电流会大幅减小，这样便可以减少加热电源的输出电流，克服现有技术在测试大功率器件时制造成本过高的不足。

二是通过放电电阻连接门极与源极，为门极电荷提供放电回路。这样不但可以精确检测门极引线脱落还可以省去门极供电电源。

附图说明

图1器件内部多芯片并联结构示意图；

图2常规功率循环测试电路原理图；

图3本发明测试电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图3所示，本发明包括用于门极电荷放电的放电电阻R1，切换被测器件状态的第一开关K1，切断或使能加热电流的第二开关K2，提供稳定测试电流的恒流测试电源，进行导通压降测量及失效判断的失效判断电路以及提供加热电流的恒流加热电源。

如图3所示，本发明电力电子器件加速寿命测试电路中，第一开关K1的一端与被测器件的漏极D相连，第一开关K1的另一端与被测器件的栅极G相连；放电电阻R1的一端与被测器件的栅极G相连，放电电阻R1的另一端与被测器件的源极S相连；恒流测试电源的正极与被测器件的漏极D相连，恒流测试电源的负极与被测器件的源极S相连；失效判断电路的两个输入端分别与测试电源的正极和负极相连，失效判断电路测量被测器件的导通压降并转换为被测器件的结温，用于做失效判断：结温超出失效判定值，则器件失效，否则，认为器件完好；第二开关K2的一端与被测器件的漏极D相连，第二开关K2的另一端与恒流加热电源的正极相连，恒流加热电源的负极与被测器件的源极S相连。

如图3所示，本发明电力电子器件加速寿命测试方法包括以下步骤：第一步，闭合第一开关K1，断开第二开关K2，使被测器件处于临界饱和导通状态，此时仅测试电流Im流过被测器件；第二步，保持第一开关K1闭合，再闭合第二开关K2，加热电流Ih及测试电流Im同时流过被测器件，使被测器件内部芯片结温上升；第三步，加热过程持续一段时间直至芯片结温上升到设定值，断开第二开关K2，此时仅有测试电流Im流过被测器件，失效判断电路检测第二开关K2断开瞬间被测器件的导通压降并转换为对应的芯片结温，如果此时的结温超过失效判定值，失效判断电路将做出源极引线失效判断，否则失效判断电路认为源极引线完好；第四步，源极引线失效判断完成后，断开第一开关K1，如果全部芯片的门极引线完好，第一开关K1闭合时注入的门极电荷将全部通过电阻R1释放，此种情况下，被测器件处于关断状态，测试电流Im流过被测器件将会产生一个无穷大的电压降，失效判断电路检测到这一无穷大电压，将做出门极引线完好判断，实际上本发明中的两个电源都工作在恒流限压模式，一旦输出电压超过设定极限电压，电流源会自动切换到恒压工作模式，避免损坏被测器件，如果门极引线脱落，门极上存储的电荷将无法通过电阻R1释放，因此断开第一开关K1无法关断被测器件中所有的功率半导体芯片，此种情况下，被测器件中存在门极引线脱落的芯片仍处于开通状态，测试电流Im流过被测器件会产生一个相对小的电压降(如2V左右)，失效判断电路检测到这一电压，将做出门极引线失效判断，若上述步骤执行完毕，被测器件的源极和门极引线均未出现失效，则重复以上步骤，直至出现失效或达到设定的测试循环数后终止。

Claims (3)

1.一种电力电子器件的加速寿命测试电路，其特征在于，所述的测试电路包括第一开关(K1)、第二开关(K2)、放电电阻(R1)，恒流测试电源，失效判断电路和恒流加热电源；所述的第一开关(K1)的一端与被测器件的漏极(D)相连，第一开关(K1)的另一端与被测器件的栅极(G)相连；所述的放电电阻(R1)的一端与被测器件的栅极(G)相连，放电电阻(R1)的另一端与被测器件的源极(S)相连；所述的恒流测试电源的正极与被测器件的漏极(D)相连，恒流测试电源的负极与被测器件的源极(S)相连；失效判断电路的两个输入端分别与测试电源的正极和负极相连；所述的第二开关(K2)的一端与被测器件的漏极(D)相连，第二开关(K2)的另一端与恒流加热电源的正极相连，恒流加热电源的负极与被测器件的源极(S)相连。

2.根据权利要求1所述的电力电子器件的加速寿命测试电路，其特征在于，所述的失效判断电路检测被测器件内部芯片的导通压降，并将所述的导通压降转换为被测器件的结温，用于失效判断：当结温超出失效判定值，则器件失效，否则认为器件完好。

3.权利要求1所述的电力电子器件的加速寿命测试电路的测试方法，其特征在于，所述的测试方法的步骤如下：

第一步，闭合第一开关(K1)，断开第二开关(K2)，使被测器件处于临界饱和导通状态，此时仅测试电流(Im)流过被测器件；

第二步，保持第一开关(K1)闭合，再闭合第二开关(K2)，加热电流(Ih)及测试电流(Im)同时流过被测器件，使被测器件内部芯片结温上升；

第三步，加热过程持续至所述的芯片结温上升到设定值，然后断开第二开关(K2)，此时仅有测试电流(Im)流过被测器件；所述的失效判断电路将采集到的第二开关(K2)断开瞬间的被测器件导通压降转换为对应的芯片结温，如果此时芯片的结温超过失效判定值，失效判断电路将做出源极引线失效判断，否则失效判断电路认为源极引线完好；

第四步，源极引线失效判断完成后，断开第一开关(K1)；如果全部芯片的门极引线完好，第一开关(K1)闭合时注入的门极电荷将全部通过放电电阻(R1)释放，在此情况下，被测器件处于关断状态，测试电流(Im)流过被测器件将会产生一个无穷大的电压降，失效判断电路检测到这一无穷大电压，将做出所述的门极引线完好判断；如果门极引线脱落，门极上存储的电荷将无法通过放电电阻(R1)释放，因此断开第一开关(K1)无法关断被测器件中所有的功率半导体芯片，此种情况下，被测器件中门极引线脱落的芯片仍处于开通状态，测试电流(Im)流过被测器件会产生一个相对小的电压降，失效判断电路检测到这一电压，将做出门极引线失效判断；若上述步骤执行完毕，被测器件的源极和门极引线均未出现失效，则重复以上步骤，直至出现失效或达到设定的测试循环数后终止。

Images