DB61T-大功率器件间歇寿命试验方法

Q/××2××××—200×PAGEPAGE1FORMTEXT     陕西省市场监督管理局发布2020—00—实施2020—00—发布陕西省市场监督管理局发布2020—00—实施2020—00—发布大功率器件间歇寿命试验方法IntermittentoperationlifeTestmethodsforpowerdevices

DB61/TXXXX-2020DB61 目次TOC\o"1-2"\h\z\u前言 III1范围 42引用文件 43术语和定义 44测试系统 55试验程序 66失效判据 97详细规范中应规定的细节 9前言本标准依据GB/T1.1-2009给出的规则起草。本标准由西安卫光科技有限公司提出。本标准由陕西省工业和信息化厅归口。本标准起草单位：西安卫光科技有限公司、中电科西安导航技术有限公司、西安西岳电子技术有限公司。本标准主要起草人：王嘉蓉、张文胜、薛红兵、赵辉、安海华。本标准首次发布。联系信息如下：联系单位：西安卫光科技有限公司联系电话系地址：西安市电子二路61号邮政编码：710065本间歇寿命试验是使器件重复承受设备的通与断，以加速器件芯片与安装表面之间所有的键合和界面应力。因此，它是评价大功率器件可靠性的重要试验项目。由于功率器件，在工作时会经历快速、大幅度的温度变化，材料热胀冷缩在界面将产生很大的剪切应力，造成原有缺陷（如空洞、裂纹等）逐渐扩大而失效。国内外各项标准及详细规范都要求对功率器件进行间歇寿命试验。目前GB128A-97对功率器件间歇寿命试验方法规定不明确，对其试验温度、试验的升温和降温时间、偏置条件、失效判据等试验条件均无明确规定。本方法给出了军用大功率半导体器件间歇工作寿命的详细试验方法，对试验装置、试验的详细程序、典型试验条件、终点测量要求、失效判据等都做了详细要求。大功率器件间歇寿命试验方法范围本标准规定了大功率器件（以下简称器件）的间歇寿命的电学试验方法。本标准的本试验方法适用于双极型晶体管、场效应晶体管、二极管等功率半导体器件的间歇寿命试验。引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T11499半导体分立器件文字符号GJB128A半导体分立器件实验方法GJB548B微电子器件试验方法和程序术语和定义下列术语和定义适用于本文件。结温（Tj）junctiontemperature半导体器件有源区的温度。壳温（Tc）casetemperature半导体器件管壳的温度。通常指最接近有源区部位的管壳温度。。最高循环温度（Tc（max））maximumcasetemperature循环周期的最高壳温。3.4最低循环温度（Tc（min））minimumcasetemperature循环周周期的最低壳温。3.5环境温度（Ta）atmospheretemperature被测测器件周围的环境温度。3.6温差（△Tc）deltatemperatureTc（max）与Tc（min）的差值。3.7接通时间（ton）turnontime一个循环周期内半导体器件的通电时间。接通时间内，器件持续升温到规定的最高循环温度（Tc（max））。3.8关断时间（toff）turnofftime一个循环周期内半导体器件的断电时间。关断时间内，器件持续降温到规定的最低循环温度（Tc（min））。测试系统目的间歇寿命试验的目的是为了确定器件在承受规定应力的条件下是否符合规定的循环次数。本方法是使器件重复承受通电升温和关断降温循环，以加速器件芯片与安装表面之间所有的键合和界面退化。试验装置所使用的试验装置应能够提供和控制指定的温度和循环时间。间歇寿命试验装置的关键组成如下，见图1：计算机控制系统计算机控制系统功率开关功率开关强迫制冷（风冷或水冷）电源数据收集系统试验样品温度传感器 图1间歇寿命试验装置的典型构成a）功率偏置单元（电源）。间歇寿命试验利用被试验器件自身半导体体结温在加电周期升温的原理，在规定时间内通过规定的电流将半导体器件温度升至规定温度。功率偏置单元（电源）应能满足半导体器件在规定时间内升至规定温度的要求。b）功率开关。功率开关用来自动控制半导体器件“加电”和“断电”，以达到规定的循环次数。c）温度检测单元。利用温度传感器检测试验过程的壳温变化情况。如有需要，通过测试半导体器件的温度敏感参获得结温变化情况。d）冷却系统。包括强制空气或其他水冷装置，制冷方式的选择取决于试验样品和试验要求。e）计算机控制系统。用于自动控制功率开关、冷却系统、功率偏置单元等功能模块。f）数据收集系统，能够记录相关的试验数据，包括温度、试验时间、电参数测试信息和结果。试验程序间歇寿命试验的一般方法是驱动被测器件在规定的循环次数内经过规定的温度范围，并在试验过程中收集试验数据，试验流程图如图2。试验步骤的关键组成包括，但不限于:试验控制、温度测量、数据采集要求以及加热和冷却方法。下面将会详细讨论。将器件安装在试验装置上将器件安装在试验装置上选择控制方式确定试验条件参数按照设定的试验条件进行试验按照设定的试验条件进行试验根据产品的温度循环剖面修正试验条件按照修正后的试验条件开始试验试验过程监控器件的敏感参数变化终点测量时控方式温控方式图2间歇寿命试验流程图试验夹具及安装间歇寿命试验样品和装置的构成，包括器件，封装，热沉，印刷电路板的厚度以及夹具等都会对试验结果有显著的影响。对于产品详细规范，间歇寿命试验的设置应尽可能反映产品的实际状态。应采用夹子或夹具固定器件引线，并可靠地导通加热电流。本方法是用于器件结被加热或冷却时壳温显著地升高和降低，因此，用大散热器是不适当的。控制方式有许多方式可以执行间歇寿命试验。最常用的有以下两种：a）时控方式：固定开启和关断时间（Ton=常数，Toff=常数）。这个方法中,设定的壳温变化△Tc通过选择合适的开启和关断时间来实现。这个时间在试验过程保持常数，其它的控制参数影响退化过程。这是最严酷的一种试验条件，因为器件的退化会使△Tj在试验过程增加，因此，会缩短失效时间。b）温控方式：固定壳温的变化范围（△Tc=常数）。壳温或者热沉的温度作为参考温度进行开启和关断电流。这种方法中开启和关断时间是不固定的，而是由升温和冷却时间决定。当多个测试器件被连接到同一个冷却回路时，这是首选的一种测试方法。在这种方法中，冷却液温度的变化通过调节升温和冷却时间得到补偿，避免了试验过程冷却条件（例如，冷却液温度或者冷却束流的变化）变化的影响。然而，用这种方法管壳与热沉之间界面的潜在退化也会被补偿，如果对壳温进行控制，即使管壳到热沉的热阻改变，也不会对试验结果有影响。因此，这种方法比第一种方法的严酷度低。5.3试验条件△Tc、Tcmim、ton、I、V等试验参数的变化会都会对器件的间歇寿命产生影响，增大△Tc、Tcmim、ton、I、V试验参数值会增加试验的严酷度，其中，影响最大的是△Tc、Tcmim两个试验参数。试验电流电压等驱动条件的选择应根据产品的详细规范，不应超过产品的最大额定值，同时以缩短试验时间为原则。表1列出了几种典型的试验条件供参考。根据产品的要求，其他试验条件是可以接受的，需在产品的详细规范中指明试验条件。试验的升温时间（ton）和降温时间（toff）与试验设备的安装部件、热沉、制冷方式以及驱动功率等有很大的关系，表中所给的ton/toff试验条件仅为对应封装形式产品的典型参考值，实际的试验条件需要通过摸底试验得到，ton/toff试验条件的设定应保证器件在间歇寿命试验的初始阶段达到△Tc=85-5+15℃。表1典型试验条件封装形式ton/toff△TcTcmin抽样方案循环次数小型封装（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分组）或6000次（C6、E2分组）中型封装（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分组）或6000次（C6、E2分组）大型封装（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分组）或6000次（C6、E2分组）5.4试验设置和验证时控方式在正式试验开始之前，需要先验证产品的温度循环剖面。在所设置的开启和关断时间（ton/toff）内，需保证壳温的变化量满足△Tc=85-5+15℃，可通过调节合适的电流电压偏置参数以达到相应试验条件。利用热电偶或其他温度探测装置测量所有感兴趣部位的温度，包括半导体器件和其它相关部位。需要时，通过测试半导体器件的温度敏感参数获得器件的结温信息。5.5试验控制和测量间歇寿命试验过程应该监测温度和功率的变化情况以保证试验温度在所设置的试验条件之内。推荐使用独立的功率偏置系统驱动多个并联的器件，这样每个部分的加热功率可独立控制。如果使用外部冷却装置，它们的平整度以及与被测器件的平行度是非常重要的。电参数和温度参数可以实时或定时监测来评估热界面的退化，互连疲劳，芯片到封装界面的失效以及封装基板的完整性等。5.6试验注意事项试验功率不等于电源上的显示值，而应通过测量被测器件的实际电压和电流来计算偏置功率。某些形式的连续温度测量和适当的关机控制可以用来防止温度超过控制上限。5.7数据收集数据收集应至少包括相应的电参数，温度传感器测量到的温度剖面，偏置电压，偏置电流以及所有感兴趣部位的温度。5.8终点测量终点测量包括但不限于电参数和热阻测试，测试应按照产品的详细规范进行。鉴定和质量一致性检验规定的终点测量，应在器件从规定试验条件下移出后的96h内完成。如果在规定的时间内不能完成测量，器件在完成测量之前应追加200次相同条件的试验循环。最少参数测试要求如下：表2间歇寿命试验前后不同类型器件的测试要求器件类型最小则试要求双极型品体管Rth、BVCEO、ICEO、ICBO或IEBO、VCE（sat）、hFE场效应品体管Rth、BVDSS、IDSS、IGSS、RDS(ON)、VGS（th）或VGS（OFF）普通二极管Rth、VF、IR、VBRLEDRth、VF、IR、IVIGBTRth、BVCES、ICES、IGES、VCE（sat）、hFE、VGE（sat）齐钠二极管Rth、VZ或VclamoPIN二极管Rth、RF失效判据失效判据应包括，但不限于，密封器件的密封性，参数限制，功能限制，键合拉力限制和机械损伤。参数和功能限制，应当由产品的详细规范确