DB61T-大功率器件間歇壽命試驗(yàn)方法

Q/××2××××—200×PAGEPAGE1FORMTEXT?????陜西省市場監(jiān)督管理局發(fā)布2020—00—實(shí)施2020—00—發(fā)布陜西省市場監(jiān)督管理局發(fā)布2020—00—實(shí)施2020—00—發(fā)布大功率器件間歇壽命試驗(yàn)方法IntermittentoperationlifeTestmethodsforpowerdevices

DB61/TXXXX-2020DB61 目次TOC\o"1-2"\h\z\u前言 III1范圍 42引用文件 43術(shù)語和定義 44測試系統(tǒng) 55試驗(yàn)程序 66失效判據(jù) 97詳細(xì)規(guī)范中應(yīng)規(guī)定的細(xì)節(jié) 9前言本標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T1.1-2009給出的規(guī)則起草。本標(biāo)準(zhǔn)由西安衛(wèi)光科技有限公司提出。本標(biāo)準(zhǔn)由陜西省工業(yè)和信息化廳歸口。本標(biāo)準(zhǔn)起草單位：西安衛(wèi)光科技有限公司、中電科西安導(dǎo)航技術(shù)有限公司、西安西岳電子技術(shù)有限公司。本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人：王嘉蓉、張文勝、薛紅兵、趙輝、安海華。本標(biāo)準(zhǔn)首次發(fā)布。聯(lián)系信息如下：聯(lián)系單位：西安衛(wèi)光科技有限公司聯(lián)系電話系地址：西安市電子二路61號郵政編碼：710065本間歇壽命試驗(yàn)是使器件重復(fù)承受設(shè)備的通與斷，以加速器件芯片與安裝表面之間所有的鍵合和界面應(yīng)力。因此，它是評價(jià)大功率器件可靠性的重要試驗(yàn)項(xiàng)目。由于功率器件，在工作時(shí)會(huì)經(jīng)歷快速、大幅度的溫度變化，材料熱脹冷縮在界面將產(chǎn)生很大的剪切應(yīng)力，造成原有缺陷（如空洞、裂紋等）逐漸擴(kuò)大而失效。國內(nèi)外各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)及詳細(xì)規(guī)范都要求對功率器件進(jìn)行間歇壽命試驗(yàn)。目前GB128A-97對功率器件間歇壽命試驗(yàn)方法規(guī)定不明確，對其試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)的升溫和降溫時(shí)間、偏置條件、失效判據(jù)等試驗(yàn)條件均無明確規(guī)定。本方法給出了軍用大功率半導(dǎo)體器件間歇工作壽命的詳細(xì)試驗(yàn)方法，對試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)的詳細(xì)程序、典型試驗(yàn)條件、終點(diǎn)測量要求、失效判據(jù)等都做了詳細(xì)要求。大功率器件間歇壽命試驗(yàn)方法范圍本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了大功率器件（以下簡稱器件）的間歇壽命的電學(xué)試驗(yàn)方法。本標(biāo)準(zhǔn)的本試驗(yàn)方法適用于雙極型晶體管、場效應(yīng)晶體管、二極管等功率半導(dǎo)體器件的間歇壽命試驗(yàn)。引用文件下列文件對于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T11499半導(dǎo)體分立器件文字符號GJB128A半導(dǎo)體分立器件實(shí)驗(yàn)方法GJB548B微電子器件試驗(yàn)方法和程序術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。結(jié)溫（Tj）junctiontemperature半導(dǎo)體器件有源區(qū)的溫度。殼溫（Tc）casetemperature半導(dǎo)體器件管殼的溫度。通常指最接近有源區(qū)部位的管殼溫度。。最高循環(huán)溫度（Tc（max））maximumcasetemperature循環(huán)周期的最高殼溫。3.4最低循環(huán)溫度（Tc（min））minimumcasetemperature循環(huán)周周期的最低殼溫。3.5環(huán)境溫度（Ta）atmospheretemperature被測測器件周圍的環(huán)境溫度。3.6溫差（△Tc）deltatemperatureTc（max）與Tc（min）的差值。3.7接通時(shí)間（ton）turnontime一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)半導(dǎo)體器件的通電時(shí)間。接通時(shí)間內(nèi)，器件持續(xù)升溫到規(guī)定的最高循環(huán)溫度（Tc（max））。3.8關(guān)斷時(shí)間（toff）turnofftime一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)半導(dǎo)體器件的斷電時(shí)間。關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，器件持續(xù)降溫到規(guī)定的最低循環(huán)溫度（Tc（min））。測試系統(tǒng)目的間歇壽命試驗(yàn)的目的是為了確定器件在承受規(guī)定應(yīng)力的條件下是否符合規(guī)定的循環(huán)次數(shù)。本方法是使器件重復(fù)承受通電升溫和關(guān)斷降溫循環(huán)，以加速器件芯片與安裝表面之間所有的鍵合和界面退化。試驗(yàn)裝置所使用的試驗(yàn)裝置應(yīng)能夠提供和控制指定的溫度和循環(huán)時(shí)間。間歇壽命試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵組成如下，見圖1：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)功率開關(guān)功率開關(guān)強(qiáng)迫制冷（風(fēng)冷或水冷）電源數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)試驗(yàn)樣品溫度傳感器 圖1間歇壽命試驗(yàn)裝置的典型構(gòu)成a）功率偏置單元（電源）。間歇壽命試驗(yàn)利用被試驗(yàn)器件自身半導(dǎo)體體結(jié)溫在加電周期升溫的原理，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過規(guī)定的電流將半導(dǎo)體器件溫度升至規(guī)定溫度。功率偏置單元（電源）應(yīng)能滿足半導(dǎo)體器件在規(guī)定時(shí)間內(nèi)升至規(guī)定溫度的要求。b）功率開關(guān)。功率開關(guān)用來自動(dòng)控制半導(dǎo)體器件“加電”和“斷電”，以達(dá)到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)。c）溫度檢測單元。利用溫度傳感器檢測試驗(yàn)過程的殼溫變化情況。如有需要，通過測試半導(dǎo)體器件的溫度敏感參獲得結(jié)溫變化情況。d）冷卻系統(tǒng)。包括強(qiáng)制空氣或其他水冷裝置，制冷方式的選擇取決于試驗(yàn)樣品和試驗(yàn)要求。e）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。用于自動(dòng)控制功率開關(guān)、冷卻系統(tǒng)、功率偏置單元等功能模塊。f）數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，能夠記錄相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括溫度、試驗(yàn)時(shí)間、電參數(shù)測試信息和結(jié)果。試驗(yàn)程序間歇壽命試驗(yàn)的一般方法是驅(qū)動(dòng)被測器件在規(guī)定的循環(huán)次數(shù)內(nèi)經(jīng)過規(guī)定的溫度范圍，并在試驗(yàn)過程中收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)流程圖如圖2。試驗(yàn)步驟的關(guān)鍵組成包括，但不限于:試驗(yàn)控制、溫度測量、數(shù)據(jù)采集要求以及加熱和冷卻方法。下面將會(huì)詳細(xì)討論。將器件安裝在試驗(yàn)裝置上將器件安裝在試驗(yàn)裝置上選擇控制方式確定試驗(yàn)條件參數(shù)按照設(shè)定的試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)按照設(shè)定的試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)根據(jù)產(chǎn)品的溫度循環(huán)剖面修正試驗(yàn)條件按照修正后的試驗(yàn)條件開始試驗(yàn)試驗(yàn)過程監(jiān)控器件的敏感參數(shù)變化終點(diǎn)測量時(shí)控方式溫控方式圖2間歇壽命試驗(yàn)流程圖試驗(yàn)夾具及安裝間歇壽命試驗(yàn)樣品和裝置的構(gòu)成，包括器件，封裝，熱沉，印刷電路板的厚度以及夾具等都會(huì)對試驗(yàn)結(jié)果有顯著的影響。對于產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范，間歇壽命試驗(yàn)的設(shè)置應(yīng)盡可能反映產(chǎn)品的實(shí)際狀態(tài)。應(yīng)采用夾子或夾具固定器件引線，并可靠地導(dǎo)通加熱電流。本方法是用于器件結(jié)被加熱或冷卻時(shí)殼溫顯著地升高和降低，因此，用大散熱器是不適當(dāng)?shù)??？刂品绞接性S多方式可以執(zhí)行間歇壽命試驗(yàn)。最常用的有以下兩種：a）時(shí)控方式：固定開啟和關(guān)斷時(shí)間（Ton=常數(shù)，Toff=常數(shù)）。這個(gè)方法中,設(shè)定的殼溫變化△Tc通過選擇合適的開啟和關(guān)斷時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)時(shí)間在試驗(yàn)過程保持常數(shù)，其它的控制參數(shù)影響退化過程。這是最嚴(yán)酷的一種試驗(yàn)條件，因?yàn)槠骷耐嘶瘯?huì)使△Tj在試驗(yàn)過程增加，因此，會(huì)縮短失效時(shí)間。b）溫控方式：固定殼溫的變化范圍（△Tc=常數(shù)）。殼溫或者熱沉的溫度作為參考溫度進(jìn)行開啟和關(guān)斷電流。這種方法中開啟和關(guān)斷時(shí)間是不固定的，而是由升溫和冷卻時(shí)間決定。當(dāng)多個(gè)測試器件被連接到同一個(gè)冷卻回路時(shí)，這是首選的一種測試方法。在這種方法中，冷卻液溫度的變化通過調(diào)節(jié)升溫和冷卻時(shí)間得到補(bǔ)償，避免了試驗(yàn)過程冷卻條件（例如，冷卻液溫度或者冷卻束流的變化）變化的影響。然而，用這種方法管殼與熱沉之間界面的潛在退化也會(huì)被補(bǔ)償，如果對殼溫進(jìn)行控制，即使管殼到熱沉的熱阻改變，也不會(huì)對試驗(yàn)結(jié)果有影響。因此，這種方法比第一種方法的嚴(yán)酷度低。5.3試驗(yàn)條件△Tc、Tcmim、ton、I、V等試驗(yàn)參數(shù)的變化會(huì)都會(huì)對器件的間歇壽命產(chǎn)生影響，增大△Tc、Tcmim、ton、I、V試驗(yàn)參數(shù)值會(huì)增加試驗(yàn)的嚴(yán)酷度，其中，影響最大的是△Tc、Tcmim兩個(gè)試驗(yàn)參數(shù)。試驗(yàn)電流電壓等驅(qū)動(dòng)條件的選擇應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的詳細(xì)規(guī)范，不應(yīng)超過產(chǎn)品的最大額定值，同時(shí)以縮短試驗(yàn)時(shí)間為原則。表1列出了幾種典型的試驗(yàn)條件供參考。根據(jù)產(chǎn)品的要求，其他試驗(yàn)條件是可以接受的，需在產(chǎn)品的詳細(xì)規(guī)范中指明試驗(yàn)條件。試驗(yàn)的升溫時(shí)間（ton）和降溫時(shí)間（toff）與試驗(yàn)設(shè)備的安裝部件、熱沉、制冷方式以及驅(qū)動(dòng)功率等有很大的關(guān)系，表中所給的ton/toff試驗(yàn)條件僅為對應(yīng)封裝形式產(chǎn)品的典型參考值，實(shí)際的試驗(yàn)條件需要通過摸底試驗(yàn)得到，ton/toff試驗(yàn)條件的設(shè)定應(yīng)保證器件在間歇壽命試驗(yàn)的初始階段達(dá)到△Tc=85-5+15℃。表1典型試驗(yàn)條件封裝形式ton/toff△TcTcmin抽樣方案循環(huán)次數(shù)小型封裝（如:SMDSOTS）ton=2mintoff=2min△Tc=85-5+15℃Tcmin=30℃±5℃大批量：22（0）小批量：12（0）2000次（B3、B4分組）或6000次（C6、E2分組）中型封裝（如：TO-220）ton=3.5mintoff=3.5min△Tc=85-5+15℃Tcmin=30℃±5℃大批量：22（0）小批量：12（0）2000次（B3、B4分組）或6000次（C6、E2分組）大型封裝（TO-3、TO-247）ton=5mintoff=5min△Tc=85-5+15℃Tcmin=30℃±5℃大批量：22（0）小批量：12（0）2000次（B3、B4分組）或6000次（C6、E2分組）5.4試驗(yàn)設(shè)置和驗(yàn)證時(shí)控方式在正式試驗(yàn)開始之前，需要先驗(yàn)證產(chǎn)品的溫度循環(huán)剖面。在所設(shè)置的開啟和關(guān)斷時(shí)間（ton/toff）內(nèi)，需保證殼溫的變化量滿足△Tc=85-5+15℃，可通過調(diào)節(jié)合適的電流電壓偏置參數(shù)以達(dá)到相應(yīng)試驗(yàn)條件。利用熱電偶或其他溫度探測裝置測量所有感興趣部位的溫度，包括半導(dǎo)體器件和其它相關(guān)部位。需要時(shí)，通過測試半導(dǎo)體器件的溫度敏感參數(shù)獲得器件的結(jié)溫信息。5.5試驗(yàn)控制和測量間歇壽命試驗(yàn)過程應(yīng)該監(jiān)測溫度和功率的變化情況以保證試驗(yàn)溫度在所設(shè)置的試驗(yàn)條件之內(nèi)。推薦使用獨(dú)立的功率偏置系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)多個(gè)并聯(lián)的器件，這樣每個(gè)部分的加熱功率可獨(dú)立控制。如果使用外部冷卻裝置，它們的平整度以及與被測器件的平行度是非常重要的。電參數(shù)和溫度參數(shù)可以實(shí)時(shí)或定時(shí)監(jiān)測來評估熱界面的退化，互連疲勞，芯片到封裝界面的失效以及封裝基板的完整性等。5.6試驗(yàn)注意事項(xiàng)試驗(yàn)功率不等于電源上的顯示值，而應(yīng)通過測量被測器件的實(shí)際電壓和電流來計(jì)算偏置功率。某些形式的連續(xù)溫度測量和適當(dāng)?shù)年P(guān)機(jī)控制可以用來防止溫度超過控制上限。5.7數(shù)據(jù)收集數(shù)據(jù)收集應(yīng)至少包括相應(yīng)的電參數(shù)，溫度傳感器測量到的溫度剖面，偏置電壓，偏置電流以及所有感興趣部位的溫度。5.8終點(diǎn)測量終點(diǎn)測量包括但不限于電參數(shù)和熱阻測試，測試應(yīng)按照產(chǎn)品的詳細(xì)規(guī)范進(jìn)行。鑒定和質(zhì)量一致性檢驗(yàn)規(guī)定的終點(diǎn)測量，應(yīng)在器件從規(guī)定試驗(yàn)條件下移出后的96h內(nèi)完成。如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不能完成測量，器件在完成測量之前應(yīng)追加200次相同條件的試驗(yàn)循環(huán)。最少參數(shù)測試要求如下：表2間歇壽命試驗(yàn)前后不同類型器件的測試要求器件類型最小則試要求雙極型品體管Rth、BVCEO、ICEO、ICBO或IEBO、VCE（sat）、hFE場效應(yīng)品體管Rth、BVDSS、IDSS、IGSS、RDS(ON)、VGS（th）或VGS（OFF）普通二極管Rth、VF、IR、VBRLEDRth、VF、IR、IVIGBTRth、BVCES、ICES、IGES、VCE（sat）、hFE、VGE（sat）齊鈉二極管Rth、VZ或VclamoPIN二極管Rth、RF失效判據(jù)失效判據(jù)應(yīng)包括，但不限于，密封器件的密封性，參數(shù)限制，功能限制，鍵合拉力限制和機(jī)械損傷。參數(shù)和功能限制，應(yīng)當(dāng)由產(chǎn)品的詳細(xì)規(guī)范確