專利名稱：電力電子器件的加速壽命測試電路及測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子器件的功率循環(huán)壽命測試電路和測試方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代電力電子器件封裝所關(guān)注的問題中，各種不同材料的連接可靠性是一個主要的問題。由于各種封裝材料具有不同的熱膨脹系數(shù)，器件在應(yīng)用時因半導(dǎo)體芯片產(chǎn)生的開關(guān)損耗和通態(tài)損耗而引起的溫度波動，或者周圍環(huán)境溫度的改變，均會造成如鍵合引線脫落、焊接層裂紋等疲勞失效問題。為了測試器件封裝的可靠性，業(yè)內(nèi)通常采用熱循環(huán)試驗(被動循環(huán)試驗)和功率循環(huán)試驗(主動循環(huán)試驗)等加速測試方法，其中功率循環(huán)可以更加真實地模擬芯片的實際發(fā)熱機制試驗時通過控制電源的輸出，給被測器件施加不同的
加熱電流，當對被測器件施加電流時，器件瞬間產(chǎn)生大熱量，使器件的結(jié)溫上升，當結(jié)溫上升到期望值后再斷電冷卻到一定溫度，重復(fù)加熱和冷卻產(chǎn)生溫度循環(huán)。由于直接加熱芯片，因此試驗中可快速提升結(jié)溫，利用高效的散熱系統(tǒng)，功率循環(huán)試驗可進行超快速循環(huán)，可實現(xiàn)的循環(huán)次數(shù)遠高于被動熱循環(huán)的次數(shù)。通常，功率循環(huán)試驗和熱循環(huán)試驗中的壽命終止失效機理是不同的，功率循環(huán)試驗特別是短時功率循環(huán)(循環(huán)周期小于10秒)最常見的失效是鍵合引線斷裂或脫落。現(xiàn)代電力電子器件，特別是大功率電力電子模塊(如IGBT模塊、MOSFET模塊)，為了獲得更大的通流能力，通常采用多芯片并聯(lián)的方式。圖I為典型的IGBT模塊內(nèi)部其中一只“開關(guān)”的實際電路結(jié)構(gòu)圖，從圖中可見，IGBT內(nèi)部的任何一只“開關(guān)”均由多只IGBT芯片和二極管芯片并聯(lián)而成(不同的電流規(guī)格，并聯(lián)的芯片數(shù)從幾片到十幾片不等)，全部芯片的門極通過鍵合引線連接到同一個外部門極端子G，全部芯片的漏極連接到同一個外部漏極端子D，全部芯片的源極連接到同一個外部源極端子S上。這種多芯片結(jié)構(gòu)中，任何一只芯片上的引線出現(xiàn)失效，均會給整個器件的工作帶來嚴重的影響，因此在進行功率循環(huán)試驗時，采用的測試電路及測試方法應(yīng)能夠?qū)θ魏我恢恍酒霈F(xiàn)的失效做出及時的判斷。傳統(tǒng)功率循環(huán)測試方法如圖2所示，通常在被測器件的門極G施加一恒定電壓Vg，門極電阻Rg和門極電容Cl分別起限流和濾波的作用。通過控制開關(guān)K1，使加熱電流Ih間斷的從被測器件的漏極D流到源極S，從而使被測器件內(nèi)部芯片結(jié)溫及電流流通路徑上的鍵合引線的溫度升高和降低。由于芯片與芯片表面的鍵合鋁絲二者的熱膨脹系數(shù)存在差異，結(jié)溫不斷的升高和降低將導(dǎo)致鋁線出現(xiàn)疲勞斷裂或整體脫落。由于試驗過程中需要實時監(jiān)測芯片結(jié)溫，因此每次實驗前需要測試不同芯片結(jié)溫條件下對應(yīng)的導(dǎo)通壓降，即所謂的溫度敏感系數(shù)，描繪出器件的導(dǎo)通壓降隨溫度變化的特性，這樣在實際測試時，通過測量導(dǎo)通壓降即可間接計算出當時的芯片結(jié)溫。由于測試電流Im比較小，通常為幾個毫安，因此不會引起芯片結(jié)溫的上升，圖2中測試電流Im—直流過被測器件，當開關(guān)Kl斷開僅有測試電流Im流過被測器件時，失效判斷電路將采集到的被測器件導(dǎo)通壓降換算成芯片結(jié)溫用于失效判斷。對電力電子器件進行功率循環(huán)試驗是檢測鋁線鍵合可靠性的一項重要的手段，然而傳統(tǒng)功率循環(huán)測試方法存在兩個不足一是測試過程中，門極電壓Vg —直加在門極G和源極S兩端，因此被測器件一直處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)通壓降較小。為了使被測器件的芯片結(jié)溫在開關(guān)Kl閉合過程這一短暫時間內(nèi)(通常在10秒以內(nèi))上升到一較高的溫度，所需的加熱電流Ih將很大，因此基于 傳統(tǒng)方法制造的功率循環(huán)測試設(shè)備不得不配置一臺能夠輸出較大電流的加熱電源，然而對于測試一些大功率的電力電子器件，需要的加熱電流往往要達數(shù)千安培，為了獲得如此大的輸出電流不得不將數(shù)十臺電源并聯(lián)使用，設(shè)備制造成本非常高。二是傳統(tǒng)方法無法準確檢測門極引線出現(xiàn)斷裂或脫落的時間。這是因為傳統(tǒng)功率循環(huán)測試方法中，門極一直施加恒定電壓，即使全部芯片上的門極引線均出現(xiàn)斷裂或脫落，但由于門極漏電流非常小(通常為幾百納安)，門極電荷僅依靠漏電流釋放，門極電壓需要經(jīng)歷很長的時間才能下降到開啟閾值電壓以下，此時被測器件才能完全關(guān)斷，只有被測器件完全關(guān)斷后，失效判斷電路檢測到一突變電壓，方能做出門極引線故障判斷?？梢姡瑥拈T極引線出現(xiàn)斷裂或脫落到失效判斷電路做出故障判斷，存在較大的時間誤差，即傳統(tǒng)功率循環(huán)測試方法在門極引線故障判斷上存在缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有試驗方法所需加熱電源電流大，以及在門極弓I線故障判斷存在時間誤差的缺點，提出一種電力電子器件的加速壽命測試電路及其測試方法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下本發(fā)明測試電路包括第一、第二開關(guān)、放電電阻、恒流測試電源、恒流加熱電源和失效判斷電路。第一開關(guān)的一端與被測器件的漏極相連，第一開關(guān)的另一端與被測器件的柵極相連。放電電阻的一端與被測器件的柵極相連，放電電阻的另一端與被測器件的源極相連。恒流測試電源的正極與被測器件的漏極相連，恒流測試電源的負極與源極相連。失效判斷電路的兩個輸入端分別與測試電源的正極和負極相連，失效判斷電路檢測被測器件的導(dǎo)通壓降并轉(zhuǎn)換為被測器件的結(jié)溫，用于做失效判斷結(jié)溫超出失效判定值，則器件失效，否則認為器件完好。第二開關(guān)的一端與被測器件的漏極相連，第二開關(guān)的另一端與恒流加熱電源的正極相連，恒流加熱電源的負極與被測器件的源極相連。本發(fā)明測試方法步驟如下I、閉合第一開關(guān)，使被測器件處于臨界飽和導(dǎo)通狀態(tài)，接著閉合第二開關(guān)，加熱電流及測試電流同時流過被測器件，使被測器件內(nèi)部芯片結(jié)溫上升，結(jié)溫上升至設(shè)定值后，斷開第二開關(guān)，此時僅有測試電流流過被測器件，失效判斷電路將檢測得到的被測器件導(dǎo)通壓降轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的芯片結(jié)溫。2、判斷源極引線是否失效失效判斷電路檢測到的第二開關(guān)斷開瞬間對應(yīng)的結(jié)溫若超過失效判定值，則判定源極引線失效，否則，判定源極引線完好，測試過程中，每次斷開第二開關(guān)均進行結(jié)溫測試。3、源極引線失效判斷完成后，斷開第一開關(guān)，進行門極引線失效判斷此時，仍然只有測試電流流過被測器件，若測試電流流過被測器件產(chǎn)生一個相對小的電壓降，失效判斷電路檢測到這一電壓，將做出門極引線失效判斷，相反，如果失效判斷電路檢測到一大電壓，則失效判斷電路會做出門極引線完好判斷。
若上述步驟執(zhí)行完畢后，全部引線均判定為完好，則重復(fù)以上步驟，直至出現(xiàn)失效或達到設(shè)定的測試循環(huán)數(shù)終止。本發(fā)明的工作原理如下I、門極引線失效檢測如果全部芯片的門極引線完好，第一開關(guān)閉合時注入的門極電荷將全部通過放電電阻釋放，此種情況下，被測器件處于關(guān)斷狀態(tài)，測試電流流過被測器件將會產(chǎn)生一個無窮大的電壓降，失效判斷電路檢測到這一無窮大電壓，將做出門極引線完好判斷。實際上本發(fā)明中的兩個電源均工作在恒流限壓模式，一旦輸出電壓超過設(shè)定的極限電壓，電源會自動切換到恒壓工作模式，避免損壞被測器件。如果被測器件的門極引線存在脫落現(xiàn)象，門極上存儲的電荷將無法通過放電電阻釋放，因此斷開第一開關(guān)無法關(guān)斷被測器件中所有的功率半導(dǎo)體芯片，此種情況下，被測器件中門極引線出現(xiàn)脫落的芯片
仍處于開通狀態(tài)，測試電流流過被測器件會產(chǎn)生一個相對小的電壓降，失效判斷電路檢測到這一電壓，將做出門極引線失效判斷。2、源極引線失效檢測本發(fā)明將第二開關(guān)斷開瞬間對應(yīng)的結(jié)溫作為芯片源極引線失效判據(jù)，因為如果某一只芯片的源極引線出現(xiàn)斷裂或脫落，加熱電流將從剩下未出現(xiàn)引線脫落的芯片上通過，勢必引起這些完好芯片流過的平均電流增加，導(dǎo)致芯片結(jié)溫升高。測試過程中，每次斷開第二開關(guān)均進行結(jié)溫測試，若測得的芯片結(jié)溫超過失效判定值，失效判斷電路將做出源極引線失效判斷，否則，失效判斷電路將做出源極引線完好判斷。本發(fā)明有別于現(xiàn)有技術(shù)的特征主要有兩點一是將被測器件的源極和門極短路，目的是使被測器件工作在臨界飽和狀態(tài)，此時被測器件的導(dǎo)通壓降相對于工作在完全飽和狀態(tài)時增加數(shù)倍(例如IGBT典型的飽和壓降為2V，而臨界飽和壓降通常超過6V)，導(dǎo)通壓降增加所帶來的好處是使結(jié)溫上升同樣的幅值，所需的加熱電流會大幅減小，這樣便可以減少加熱電源的輸出電流，克服現(xiàn)有技術(shù)在測試大功率器件時制造成本過高的不足。二是通過放電電阻連接門極與源極，為門極電荷提供放電回路。這樣不但可以精確檢測門極弓I線脫落還可以省去門極供電電源。


圖I器件內(nèi)部多芯片并聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2常規(guī)功率循環(huán)測試電路原理圖；圖3本發(fā)明測試電路原理圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。如圖3所示，本發(fā)明包括用于門極電荷放電的放電電阻R1，切換被測器件狀態(tài)的第一開關(guān)K1，切斷或使能加熱電流的第二開關(guān)K2，提供穩(wěn)定測試電流的恒流測試電源，進行導(dǎo)通壓降測量及失效判斷的失效判斷電路以及提供加熱電流的恒流加熱電源。如圖3所示，本發(fā)明電力電子器件加速壽命測試電路中，第一開關(guān)Kl的一端與被測器件的漏極D相連，第一開關(guān)Kl的另一端與被測器件的柵極G相連；放電電阻Rl的一端與被測器件的柵極G相連，放電電阻Rl的另一端與被測器件的源極S相連；恒流測試電源的正極與被測器件的漏極D相連，恒流測試電源的負極與被測器件的源極S相連；失效判斷電路的兩個輸入端分別與測試電源的正極和負極相連，失效判斷電路測量被測器件的導(dǎo)通壓降并轉(zhuǎn)換為被測器件的結(jié)溫，用于做失效判斷結(jié)溫超出失效判定值，則器件失效，否則，認為器件完好；第二開關(guān)K2的一端與被測器件的漏極D相連，第二開關(guān)K2的另一端與恒流加熱電源的正極相連，恒流加熱電源的負極與被測器件的源極S相連。如圖3所示，本發(fā)明電力電子器件加速壽命測試方法包括以下步驟第一步，閉合第一開關(guān)Kl，斷開第二開關(guān)K2，使被測器件處于臨界飽和導(dǎo)通狀態(tài)，此時僅測試電流Im流過被測器件；第二步，保持第一開關(guān)Kl閉合，再閉合第二開關(guān)K2，加熱電流Ih及測試電流Im同時流過被測器件，使被測器件內(nèi)部芯片 結(jié)溫上升；第三步，加熱過程持續(xù)一段時間直至芯片結(jié)溫上升到設(shè)定值，斷開第二開關(guān)K2，此時僅有測試電流Im流過被測器件，失效判斷電路檢測第二開關(guān)K2斷開瞬間被測器件的導(dǎo)通壓降并轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的芯片結(jié)溫，如果此時的結(jié)溫超過失效判定值，失效判斷電路將做出源極引線失效判斷，否則失效判斷電路認為源極引線完好；第四步，源極引線失效判斷完成后，斷開第一開關(guān)K1，如果全部芯片的門極引線完好，第一開關(guān)Kl閉合時注入的門極電荷將全部通過電阻Rl釋放，此種情況下，被測器件處于關(guān)斷狀態(tài)，測試電流Im流過被測器件將會產(chǎn)生一個無窮大的電壓降，失效判斷電路檢測到這一無窮大電壓，將做出門極引線完好判斷，實際上本發(fā)明中的兩個電源都工作在恒流限壓模式，一旦輸出電壓超過設(shè)定極限電壓，電流源會自動切換到恒壓工作模式，避免損壞被測器件，如果門極引線脫落，門極上存儲的電荷將無法通過電阻Rl釋放，因此斷開第一開關(guān)Kl無法關(guān)斷被測器件中所有的功率半導(dǎo)體芯片，此種情況下，被測器件中存在門極引線脫落的芯片仍處于開通狀態(tài)，測試電流Im流過被測器件會產(chǎn)生一個相對小的電壓降(如2V左右)，失效判斷電路檢測到這一電壓，將做出門極引線失效判斷，若上述步驟執(zhí)行完畢，被測器件的源極和門極引線均未出現(xiàn)失效，則重復(fù)以上步驟，直至出現(xiàn)失效或達到設(shè)定的測試循環(huán)數(shù)后終止。
權(quán)利要求
1.一種電力電子器件的加速壽命測試電路，其特征在于，所述的測試電路包括第一開關(guān)(K1)、第二開關(guān)(K2)、放電電阻(R1)，恒流測試電源，失效判斷電路和恒流加熱電源；所述的第一開關(guān)(Kl)的一端與被測器件的漏極(D)相連，第一開關(guān)(Kl)的另一端與被測器件的柵極(G)相連；所述的放電電阻(Rl)的一端與被測器件的柵極(G)相連，放電電阻(Rl)的另一端與被測器件的源極(S)相連；所述的恒流測試電源的正極與被測器件的漏極(D)相連，恒流測試電源的負極與被測器件的源極(S)相連；失效判斷電路的兩個輸入端分別與測試電源的正極和負極相連；所述的第二開關(guān)(K2)的一端與被測器件的漏極(D)相連，第二開關(guān)(K2)的另一端與恒流加熱電源的正極相連，恒流加熱電源的負極與被測器件的源極⑶相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電力電子器件的加速壽命測試電路，其特征在于，所述的失效判斷電路檢測被測器件內(nèi)部芯片的導(dǎo)通壓降，并將所述的導(dǎo)通壓降轉(zhuǎn)換為被測器件的結(jié)溫，用于失效判斷當結(jié)溫超出失效判定值，則器件失效，否則認為器件完好。
3.權(quán)利要求I所述的電力電子器件的加速壽命測試電路的測試方法，其特征在于，所述的測試方法的步驟如下 第一步，閉合第一開關(guān)(Kl)，斷開第二開關(guān)(K2)，使被測器件處于臨界飽和導(dǎo)通狀態(tài)，此時僅測試電流(Im)流過被測器件； 第二步，保持第一開關(guān)(Kl)閉合，再閉合第二開關(guān)(K2)，加熱電流(Ih)及測試電流(Im)同時流過被測器件，使被測器件內(nèi)部芯片結(jié)溫上升； 第三步，加熱過程持續(xù)至所述的芯片結(jié)溫上升到設(shè)定值，然后斷開第二開關(guān)(K2)，此時僅有測試電流(Im)流過被測器件；所述的失效判斷電路將采集到的第二開關(guān)(K2)斷開瞬間的被測器件導(dǎo)通壓降轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的芯片結(jié)溫，如果此時芯片的結(jié)溫超過失效判定值，失效判斷電路將做出源極引線失效判斷，否則失效判斷電路認為源極引線完好； 第四步，源極引線失效判斷完成后，斷開第一開關(guān)(Kl);如果全部芯片的門極引線完好，第一開關(guān)(Kl)閉合時注入的門極電荷將全部通過放電電阻(Rl)釋放，在此情況下，被測器件處于關(guān)斷狀態(tài)，測試電流(Im)流過被測器件將會產(chǎn)生一個無窮大的電壓降，失效判斷電路檢測到這一無窮大電壓，將做出所述的門極引線完好判斷；如果門極引線脫落，門極上存儲的電荷將無法通過放電電阻(Rl)釋放，因此斷開第一開關(guān)(Kl)無法關(guān)斷被測器件中所有的功率半導(dǎo)體芯片，此種情況下，被測器件中門極引線脫落的芯片仍處于開通狀態(tài)，測試電流(Im)流過被測器件會產(chǎn)生一個相對小的電壓降，失效判斷電路檢測到這一電壓，將做出門極引線失效判斷；若上述步驟執(zhí)行完畢，被測器件的源極和門極引線均未出現(xiàn)失效，則重復(fù)以上步驟，直至出現(xiàn)失效或達到設(shè)定的測試循環(huán)數(shù)后終止。
全文摘要
一種電力電子器件的加速壽命測試電路，其第一開關(guān)(K1)的一端與被測器件的漏極(D)相連，第一開關(guān)(K1)的另一端與被測器件的柵極(G)相連。放電電阻(R1)的一端與被測器件的柵極(G)相連，放電電阻(R1)的另一端與被測器件的源極(S)相連。恒流測試電源的正極與被測器件的漏極(D)相連，恒流測試電源的負極與被測器件的源極(S)相連。失效判斷電路的兩個輸入端分別與測試電源的正極和負極相連。第二開關(guān)(K2)的一端與被測器件的漏極(D)相連，第二開關(guān)(K2)的另一端與恒流加熱電源的正極相連，恒流加熱電源的負極與被測器件的源極(S)相連。
文檔編號G01R31/00GK102680819SQ20121013513
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月28日
發(fā)明者仇志杰, 張瑾 申請人:中國科學院電工研究所