隨著了工業(yè)制造水平的發(fā)展，IPM的生產(chǎn)技術(shù)得到了極大的發(fā)展，器件的可靠性問題將是未來研究的面臨的新挑戰(zhàn)。針對國內(nèi)外近年來在智能功率模塊失效分析方面的主要研究內(nèi)容，綜述了智能功率模塊應(yīng)用失效的測試方法以及失效定位技術(shù)，總結(jié)了連續(xù)性失效，絕緣性失效，HVIC故障，IGBT故障，NTC故障的測試方法，并分析了這些器件故障可能的失效原因。最終總結(jié)了通過測試方法進(jìn)行快速IPM失效的故障定位方法。

0 引言

IPM(Intelligent Power Module)，即智能功率模塊，將功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起，內(nèi)部包括了過壓保護，過流保護，過溫保護，短路保護，欠壓保護等檢測電路。當(dāng)發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)時，可將檢測信號送到CPU,保證自身不受損壞。IPM因其運行可靠性高，功能強大，并具有自診斷和保護功能，廣泛應(yīng)用于驅(qū)動電機的變頻器和各種逆變電源[1]。

IPM的使用過程中會產(chǎn)生各種故障,在盡可能小的破壞芯片的同時，通過功能測試的方法快速定位失效位置是一項非常關(guān)鍵的技術(shù)，也是其中不可缺少的一個重要環(huán)節(jié)。文章從智能功率模塊的結(jié)構(gòu)開始，主要介紹IPM電路結(jié)構(gòu)和模塊測試方法，為快速故障區(qū)域定位提供依據(jù)，大大縮短了失效分析周期。

1 IPM電路結(jié)構(gòu)

以三相逆變器為例，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其基本組件包括：

(1)6個IGBT逆變器電路功率模塊，IGBT1到IGBT6組成逆變橋。

(2)6個快速超軟恢復(fù)續(xù)流二極管（ultra-soft Freewheeling Recovery Diode, FRD），F(xiàn)RD1-FRD6是與六個主IGNT反并聯(lián)的回饋二極管。

(3)3個半橋高壓柵極驅(qū)動器（High Voltage Integrated Circuit ,HVIC），提供了無需光電耦隔離的IGBT驅(qū)動能力，大大降低了逆變系統(tǒng)的總成本。HVIC設(shè)定了最佳的IGBT驅(qū)動條件，驅(qū)動電路與IGBT距離短，輸出阻抗低，不需要加反向偏壓。

(4)1個負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC Thermistor）控制溫度變化。IPM內(nèi)部的絕緣基板上設(shè)有溫度檢測元件，檢測絕緣基板溫度(IGBT,FRD芯片異常發(fā)熱后的保護動作時間比較慢)，對于芯片的異常發(fā)熱能高速實現(xiàn)過熱保護。

(5)3個濾波電容器（RC），RC1-RC3分別對3個HVIC電源輸入端進(jìn)行濾波處理。

2 IPM故障測試及失效定位

IPM模塊內(nèi)部元器件眾多，相互關(guān)聯(lián)相互影響，而分離各個元器件需要首先對芯片進(jìn)行去模封處理，處理的過程可能產(chǎn)生新的影響。因此，通過測試方法盡快準(zhǔn)確定位失效區(qū)域是很重要的。對此，本文提出了一個完整的故障測試流程，如圖2所示，能夠針對IPM模塊的各個組件進(jìn)行測量，在盡可能小的損壞芯片的情況下快速定位故障位置。

2.1 絕緣性測試

絕緣性測試又稱高壓測試。測試的基本原理是將一規(guī)定交流或直流高壓施加在電器帶電部分和不帶電部分（絕緣外殼）之間以檢查芯片絕緣材料所能承受耐壓能力[2]。

實驗室采用耐壓測試儀進(jìn)行絕緣性測試。如圖3所示，將所有管腳短接接測試儀負(fù)極，芯片背部銅基板接電源正極，根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊，測試電壓必須在5s內(nèi)逐漸地上升到所要求的試驗電壓值（例如3kV等），保證電壓值穩(wěn)定加在被測絕緣體上不少于5s，此時所測回路的漏電流值與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的泄漏電流閾值相比較，就可以判斷被測產(chǎn)品的絕緣性能是否符合標(biāo)準(zhǔn).

絕緣測試失效時，失效區(qū)域主要在封裝介質(zhì)上。主要失效模式包括：

1） 介質(zhì)內(nèi)空洞（圖4a）。導(dǎo)致空洞產(chǎn)生的主要因素為環(huán)氧樹脂內(nèi)的有機或無機污染、封裝過程操作不當(dāng)?shù)??？斩吹漠a(chǎn)生極易導(dǎo)致漏電，進(jìn)而導(dǎo)致器件內(nèi)局部發(fā)熱，降低介質(zhì)的絕緣性能從而導(dǎo)致漏電增加[3]。

2）機械應(yīng)力裂紋（圖4b）：在應(yīng)用過程中,較大的應(yīng)力可能造成芯片的應(yīng)力裂紋，導(dǎo)致耐壓降低。如圖4所示，頂針壓力設(shè)置過大，造成DBC, Direct Bonding Copper陶瓷附銅基板產(chǎn)生應(yīng)力裂紋，最終產(chǎn)生絕緣測試失效。應(yīng)用過程中的人員的不當(dāng)操作，機器故障；元件接插操作等都可能產(chǎn)生芯片的外力損傷[3]。

圖4 絕緣測試故障失效模式

2.2 熱阻測試

熱阻是表征IPM電路散熱性的重要參數(shù)，由于IPM往往內(nèi)置多個功率器件，因此對于散熱的要求非常高。如果電路的熱阻不佳，將導(dǎo)致功率器件產(chǎn)生的熱量無法及時散發(fā)，使IPM內(nèi)部的電路處于高溫的工作狀態(tài)，這將IPM的使用壽命和性能都受到影響。IPM模塊內(nèi)置1個負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)控制溫度變化。如果基板的溫度超過設(shè)定閾值，IPM內(nèi)部的保護電路關(guān)斷門極驅(qū)動信號，不響應(yīng)控制輸入信號，直到溫度降下來到另一設(shè)定閾值以下，IGBT方可恢復(fù)工作。

實際測量NTC熱敏電阻的方法與與測量普通固定電阻的方法相同。簡單快速的驗證方法是將IPM模塊T1,T2管腳連接數(shù)字萬用表，對IPM進(jìn)行加熱，如果其阻值不變化或者電阻無窮大，則說明已損壞。

如果需要精確測量NTC熱敏電阻，則需要對IPM模塊進(jìn)行去模封處理，將NTC熱敏電阻裸露出來，先在室溫下測得電阻值RT1；再用加熱臺作熱源對熱敏電阻進(jìn)行極加熱，測出電阻值RT2，同時使用紅外測溫儀測出此時熱敏電阻NTC表面的平均溫度。實驗室采用數(shù)字萬用表測量熱敏電阻在不同溫度下的電阻值，利用收集到的數(shù)據(jù)，在Matlab中[4]可繪制NTC熱敏電阻的R-T曲線，如圖5所示。并利用最小二乘法確定熱敏指數(shù)B[5]。

其主要的失效機理有：NTC焊接不良（圖6a），外力損傷產(chǎn)生應(yīng)力裂紋（圖6b），電極有效面積減少，非平衡態(tài)的轉(zhuǎn)變過程，晶粒表面態(tài)的變化，過電應(yīng)力等[6]

圖6 熱阻測試故障失效模式

2.3 連續(xù)性測試

連續(xù)性測試是通過在待測管腳施加正向偏置，測量待測管腳二極管的自然壓降，以此確定連接性的方法。這項測試能夠有效的對IPM各個管腳之間的電路進(jìn)行檢測。

實驗室采用I/V 曲線追蹤儀確定管腳間電路是否有異常。因為IPM內(nèi)部各通道相互獨立（通道U,V,W），因此可以逐步對各通道施加激勵進(jìn)行檢測。管腳間測試實際上就是測試芯片內(nèi)部ESD保護電路。ESD保護電路一般設(shè)計在焊盤（Bond Pad）附近[7]，保護電路的差異也會影響IV曲線的測試結(jié)果，因此需要與正常品進(jìn)行對比。如圖7所示，正常標(biāo)準(zhǔn)品測試曲線如曲線1，失效品測試曲線如曲線2，存在一定漏電流。因此，可以通過連續(xù)性測試方法將失效區(qū)域定位在管腳間的連接電路。

圖7 連續(xù)性測試IV曲線示意圖

連續(xù)性失效存在于測試腳之間的電路。當(dāng)管腳間連接線斷開或者鍵合失效，出現(xiàn)開路失效（圖8）；當(dāng)測試腳之間存在金屬絲殘留，或者內(nèi)部電路金屬層融化，則出現(xiàn)短路失效；當(dāng)內(nèi)部二極管存在工藝缺陷或者被外界干擾所損傷時，也可能造成短路及漏電流失效[8]。

2.4 超快恢復(fù)二極管特性測試

超快恢復(fù)二極管是一種具有開關(guān)特性好，反向恢復(fù)時間極短的半導(dǎo)體二極管，能夠給IGBT作續(xù)流、吸收、箝位、隔離、輸出和輸入整流器，使開關(guān)器件的功能得到充分發(fā)揮。反向?qū)妷菏侵窱PM內(nèi)置功率開關(guān)器件(IGBT)處于關(guān)閉狀態(tài)時，當(dāng)從FRD流過一定的電流后，F(xiàn)RD兩級之間的電壓差。

超快恢復(fù)二極管特性測試方法及正常品測試曲線如圖9所示。因為直接對二極管施加偏壓不會影響到IPM其他電路，因此在不需要施加VCC偏壓的條件下就能完成對二極管性能的檢測。

超快速二極管失效固有失效主要表現(xiàn)在晶圓設(shè)計工藝結(jié)構(gòu)缺陷、焊接工藝問題,導(dǎo)致晶圓焊接時產(chǎn)生高溫銅遷移,抗機械應(yīng)力水平下降。在實際應(yīng)用中又因為器件引腳跨距設(shè)計不合理導(dǎo)致器件受機械應(yīng)力影響加深失效程度,最終出現(xiàn)過電擊穿失效（圖10）。

2.5 IPM模塊功能測試

IPM模塊實現(xiàn)正常工作的參數(shù)主要包括集電極-發(fā)射極電壓VCES，集電極-發(fā)射極電流ICES，集電極-發(fā)射極飽和電壓VCESAT和集電極峰值電流ICM。

2.5.1高壓漏電流測試

高壓漏電流（IDSS）的測試也包括兩部分，即IPM內(nèi)置功率開關(guān)器件處于關(guān)閉狀態(tài)下的CE漏電流測試和IPM內(nèi)置HVIC的高壓端（VS）漏電流測試?；緶y試電路如圖11所示,對相應(yīng)通道的HVIC提供激勵使得IGBT 處于關(guān)閉狀態(tài)（電源輸入端輸入供電電壓，Vboot高壓懸浮接口輸入電壓高于供電電壓，將HIN高電平信號輸入端接地與LIN低電平信號輸入端輸入接地，T1MOS管關(guān)斷），在集電極-發(fā)射極施加電壓，增加VCE到規(guī)定值，所測得的IC即為ICES。曲線1為正常品高電壓漏電，曲線2為失效品測試結(jié)果，相對于正常品漏電流增大，同時擊穿電壓降低。

2.5.2通態(tài)飽和壓降測試

IGBT通態(tài)飽和壓降VCEsat是指在門極電壓驅(qū)動下，IGBT工作于飽和區(qū)，IGBT集電極(C)與發(fā)射極極（E）之間的電壓差。飽和壓降是衡量IGBT是否過流的重要指標(biāo)。

基本測試電路如圖12所示,對相應(yīng)通道的HVIC提供激勵使得IGBT 處于飽和狀態(tài)（電源輸入端輸入供電電壓，Vboot高壓懸浮接口輸入電壓高于供電電壓，將HIN高電平信號輸入端接地，LIN低電平信號輸入端輸入邏輯‘1’，T1MOS管達(dá)到飽和狀態(tài)），在集電極-發(fā)射極施加規(guī)定電壓，達(dá)到飽和值時，電流急劇增大。

在門極驅(qū)動電壓存在的情況下，發(fā)生IGBT過流，VCE會急劇上升，一般當(dāng)VCE大于飽和壓降10us左右，IGBT就會損壞。

針對IPM模塊功能參數(shù)測試需要驅(qū)動HVIC提供開關(guān)信號至G極，因此，當(dāng)測試結(jié)果出現(xiàn)異常時，需要根據(jù)具體的失效來判斷具體的失效位置在HVIC還是IGBT區(qū)域。例如，擊穿電壓降低，漏電流增大，但是曲線符合高壓漏電測試曲線趨勢時，可以將失效位置定位在IGBT上。如果IGBT沒有被正常開啟，則故障位置很可能在HVIC上。

2.6 分離元器件功能測試

當(dāng)IPM模塊功能測試結(jié)果不足以判斷失效位置，或者IGBT確認(rèn)失效而無法確認(rèn)是否為HVIC故障導(dǎo)致的IGBT失效時，需要將IGBT與HVIC分離，進(jìn)行進(jìn)一步的測量。

實驗室采用去模封處理，將HVIC輸出端與IGBT綁線進(jìn)行切割的方法實現(xiàn)分離，然后使用探針臺對分離后的元器件分別進(jìn)行搭線，完成測試過程。

2.6.1 IGBT參數(shù)測試

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。IGBT器件的芯片結(jié)構(gòu)和等效電路[9]如圖13所示。

圖13 IGBT芯片結(jié)構(gòu)和等效電路圖

IGBT的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP(原來為NPN)晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的柵極(G)為多晶硅材料，與N基區(qū)中間間隔一層SiO2絕緣層。作為絕緣層的SiO2層非常薄，十分容易受損，因此，對IGBT的安全可靠與否進(jìn)行評估的重要參數(shù)就是IGSS漏極短路時截止柵電流,IDGO源極開路時，截止柵電流。

實驗室采用曲線追蹤儀AC模式，按圖14完成IGBT參數(shù)測量。

圖14 IGBT參數(shù)測試

IGBT模塊失效原因主要有：過溫，過流(圖15)，過壓，動態(tài)雪崩擊穿，熱電載流子倍增，表面問題、金屬化問題、壓焊絲鍵合問題、芯片鍵合問題、封裝問題、體內(nèi)缺陷等[10]。

2.6.2 HVIC參數(shù)測試

連續(xù)性測試能夠?qū)VIC的輸入端做基本的檢測，但是HVIC輸出端與IGBT相連，因此，在對IGBT進(jìn)行功能檢測時需要首先將HVIC從IPM模塊中進(jìn)行分離。所以，針對HVIC芯片進(jìn)行測試。驅(qū)動IC應(yīng)用電路如圖所示。對驅(qū)動IC進(jìn)行功能驗證時，需要借助外圍電路對IC驅(qū)動能力進(jìn)行驗證。驅(qū)動輸出波形如圖16所示。正常品HVG,LVG輸出波形滿足真值表；失效品輸出波形異常，LVG輸出正常，HVG無輸出。

圖16 HVIC應(yīng)用測試及輸出

由EOS和ESD造成的IC失效占現(xiàn)場失效器件總數(shù)的50%左右[11]。HVIC主要的失效來源于過電應(yīng)力。過電應(yīng)力是指芯片在使用過程中電源端所加的應(yīng)力超過器件所規(guī)定的最大應(yīng)力。在過電應(yīng)力的作用下，在器件局部形成熱點，熱點溫度達(dá)到材料熔點時，會形成開路或短路失效，破壞電路結(jié)構(gòu)（圖17）。

3 結(jié)論

本文詳細(xì)敘述了針對IPM故障的測試定位方法，列出了不同內(nèi)部組件的測試方法及可能的失效機理。借助外圍電路，通過失效品與正常品的IV曲線，輸出波形的對比，逐步定位具體的故障范圍。分析結(jié)果表明，不同的失效模式選擇不同的失效驗證方法，為快速故障區(qū)域定位提供依據(jù)，

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