IEC 63215-22023 压模连接材料的耐久性试验方法.第2部分用于分立型功率电子器件的压模连接物质的温度循环试验方法标准立项发展报告

压模连接材料的耐久性试验方法第2部分：用于分立型功率电子器件的压模连接物质的温度循环试验方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:EnduranceTestMethodsforDieAttachMaterials-Part2:TemperatureCyclingTestMethodforDieAttachMaterialsAppliedtoDiscreteTypePowerElectronicDevices(IEC63215-2:2023)摘要关键词：压模连接材料；功率电子器件；温度循环试验；耐久性试验；国际标准；IEC63215-2Keywords:Dieattachmaterials;Powerelectronicdevices;Temperaturecyclingtest;Endurancetest;Internationalstandard;IEC63215-2一、引言1.1研究背景功率电子技术作为现代能源变换与控制的核心支撑技术，广泛应用于新能源汽车、轨道交通、智能电网、工业驱动、消费电子及航空航天等国民经济的诸多重要领域。近年来，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第三代宽禁带半导体材料的产业化应用，推动功率电子器件朝着更高结温（>200℃）、更高功率密度和更严苛服役环境的方向持续演进。在这一技术趋势下，功率器件封装内部的热管理问题变得尤为突出，而压模连接材料作为连接半导体芯片与引线框架或基板的关键界面材料，承担着热量传导、电气互连和机械支撑等多重功能，其材料性能和长期耐久性已成为制约功率器件可靠性的重要瓶颈之一。在功率器件的实际服役过程中，由于芯片与基板之间热膨胀系数（CTE）的失配，温度循环变化会在压模连接层内产生周期性的热-机械应力，进而导致材料疲劳、微裂纹萌生与扩展、分层剥离以及空洞演化等退化行为。这些退化机制不仅会增加热阻、降低散热效率，严重时还将引起器件电学性能漂移乃至完全失效。因此，建立科学、统一、可重复的压模连接材料耐久性试验方法，对于材料筛选、工艺优化、质量控制和寿命预测均具有不可或缺的作用。1.2标准立项的必要性尽管压模连接材料的可靠性试验在工业界已有广泛应用，但长期以来，国际上缺乏专门针对分立型功率电子器件用压模连接材料的统一温度循环试验方法标准。各制造商和研究机构往往依据内部规范或借鉴其他相关标准进行试验，导致试验条件、失效判据和数据处理方法存在显著差异，试验结果的可比性和互认性较差。这不仅增加了上下游企业的沟通成本和合格评定负担，也制约了新型高性能压模连接材料的研发验证和国际市场准入效率。在此背景下，国际电工委员会（IEC）启动了IEC63215系列标准的制定工作，旨在为压模连接材料的耐久性评价提供系统化的国际标准框架。IEC63215-2:2023作为该系列标准的第2部分，专门规定了应用于分立型功率电子器件的压模连接物质的温度循环试验方法，填补了该领域的国际标准空白，具有重要的里程碑意义。二、标准概述2.1标准基本信息IEC63215-2:2023《压模连接材料的耐久性试验方法第2部分：用于分立型功率电子器件的压模连接物质的温度循环试验方法》由国际电工委员会（IEC）于2023年10月24日正式发布。该标准采用英语和法语双语版本，国际标准分类号（ICS）归属电子元器件组件相关类别。标准规定了应用于分立型功率电子器件的压模连接材料在温度循环载荷条件下的耐久性试验方法，涵盖试验设备要求、试样制备、试验程序、失效判据及数据报告等内容。2.2标准体系定位IEC63215标准系列围绕压模连接材料的耐久性试验方法进行系统构建。其中，第1部分通常涉及通用要求或基础试验框架，而第2部分则聚焦于温度循环这一特定应力类型。温度循环试验是评价电子封装材料热-机械可靠性的经典方法，其基本原理是通过在高温和低温之间循环切换，使试样承受交变的热应力，从而加速材料疲劳过程并对耐久性进行评估。相较于恒定温度老化或高温存储试验，温度循环试验更贴近器件在实际开关运行中所经历的热波动工况，因而其结果对工程应用具有更强的指导意义。2.3标准适用范围该标准明确适用于分立型功率电子器件（DiscreteTypePowerElectronicDevices），包括但不限于功率二极管、功率MOSFET、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）以及各种功率模块中使用的分立式封装器件。与集成型功率模块相比，分立型器件通常结构更为简洁、封装体积更小，但其压模连接层在温度循环条件下同样面临显著的热-机械疲劳问题。该标准的发布为这类器件的材料评价提供了专门的方法依据。三、标准技术内容分析3.1试验原理IEC63215-2:2023所规定的温度循环试验，其核心原理在于利用温度的变化在试样内部产生交变的热应力。由于压模连接材料与相邻的芯片材料（如硅、碳化硅、氮化镓）、基板材料（如铜、钼、陶瓷覆铜板）以及引线框架材料之间存在热膨胀系数差异，在温度升高和降低的过程中，各层材料的膨胀和收缩程度不同，从而在连接层内部产生周期性的剪切应力和法向应力。这一应力循环过程与器件实际运行中因功率损耗引起的温度波动相似，能够在可控条件下再现材料在服役过程中的疲劳损伤机制。试验通常包括高温保持、温度转换和低温保持三个阶段，通过控制温度范围（ΔT）、保温时间（dwelltime）、转换时间（ramptime）和循环次数等关键参数，模拟不同类型器件在实际应用中的热载荷条件。3.2试验设备要求标准对温度循环试验设备提出了明确的技术要求，主要包括以下几个方面：-温度范围：设备应能够覆盖标准所规定的低温和高温极限，通常低温可达-65℃甚至更低，高温可达200℃以上（依据器件类型和应用条件确定），并具备足够的温度裕量。-温度均匀性：在有效工作区域内，温度分布应保持均匀，以保证同一批次试样的试验条件一致性。标准通常要求工作区内温度偏差控制在±3℃以内，这一要求与JESD22-A104等通用温度循环标准保持协调。-温变速率：设备应具备足够的升降温能力，以满足规定的温度转换时间要求。温度转换速率直接影响试样所承受的热应力加载速率，是影响试验结果的重要参数。3.3试样制备试样的制备质量直接影响试验结果的可靠性和可重复性。该标准对试样制备提出了系统性要求，主要包括以下要点：-材料组合：试样应采用实际应用中典型的材料组合，即与目标器件相同或相近的芯片材料、压模连接材料和基板材料进行组装，以真实反映实际界面的热-机械行为。-连接工艺：压模连接层的制备应遵循材料供应商推荐的工艺规范，包括焊接温度曲线（针对焊料型材料）、固化条件（针对导电胶/烧结银材料）等，同时应对工艺参数进行详细记录，以确保试样的一致性。-试样尺寸：标准规定了试样的推荐几何尺寸和形状，试样尺寸的标准化是保证试验结果横向可比较的前提。对于不同的器件类型，可依据实际封装形式进行调整。-质量检验：在试验前应对试样进行无损检测（如超声波扫描显微镜检查），评估压模连接层的初始完整性，排除存在明显空洞、分层或工艺缺陷的试样，以避免初始质量差异对试验结果造成干扰。3.4试验程序试验程序是该标准的核心技术内容，主要包括以下几个方面：（1）初始测量：在试验开始前，应对试样进行全面的初始性能表征，包括热阻（thermalresistance）、剪切强度、空洞率及外观检查等，作为后续性能变化评估的基准数据。（2）温度循环条件设定：根据器件的应用场景文件或买卖双方协商，确定具体的温度范围、高低温保持时间、转换时间及循环次数。标准推荐了若干典型的试验条件等级，涵盖了通用、严苛和极端三类服役场景，以匹配不同应用领域的需求。例如，针对汽车电子等高温应用场景，高温温度点通常设定为150℃~175℃，而针对航空航天领域则可能要求更高的温度上限。（3）循环试验执行：将试样置于温度循环试验箱中，按照设定的程序进行循环加载。试验期间应定期（如每100次或每200次循环）取出试样进行中间检测，监测性能退化趋势。中间检测间隔不宜过长或过短，过短会引入不必要的操作应力和温度冲击，过长则可能遗漏失效起始点，标准给出了推荐的中测间隔范围。（4）失效判定：标准定义了明确的失效判据，通常包括：热阻增加超过初始值的某一阈值（如20%）、压模连接层出现可见的分层或裂纹超过规定尺寸、剪切强度下降超过初始值的某一比例等。当试样达到任一失效判据时，即判定该试样失效。（5）终止条件：试验持续至所有试样均失效，或达到预定的最大循环次数。记录每个试样的失效循环次数，并据此进行数据分析。3.5数据分析和结果报告标准要求对试验数据进行系统分析和规范报告，主要包括：-失效循环次数统计：记录每个试样的失效循环次数，计算特征寿命（如Weibull分布下的特征寿命参数）和失效分布。-退化趋势分析：绘制热阻、剪切强度等关键性能参数随循环次数的退化曲线，分析退化速率和退化模式，有助于深入理解失效机制。-失效模式分析：对失效试样进行失效物理分析（如扫描电子显微镜观察断面形貌、能谱分析界面成分等），确定具体的失效模式和机制。-报告内容：标准规定了试验报告应包含的技术信息，包括试样描述、试验条件、试验设备信息、原始数据、分析结果和失效分析结论等，以确保报告的可追溯性和完整性，便于不同实验室之间的数据比对和经验共享。四、标准的技术特点与创新性4.1专用于分立型功率电子器件与通用的温度循环试验标准（如JESD22-A104、IEC60749-25等）相比，IEC63215-2:2023的最大特色在于其专门针对分立型功率电子器件的压模连接材料进行定制化规定。这一聚焦使得标准在试样设计、试验条件设置和失效判据方面更能贴合实际应用需求，避免了通用标准在实际操作中需要大量剪裁和补充的不足。4.2覆盖多种压模连接材料体系标准适用于各类压模连接材料，包括但不限于：软钎焊料（如Sn-Ag-Cu系、Sn-Sb系等）、高铅焊料、银烧结材料（纳米银/微米银膏）、导电胶及各向同性导电粘接材料等。不同材料体系的力学性能和退化机制差异较大，标准在试验条件设置和失效判据方面提供了相应的灵活性。4.3强调试验条件与应用的关联性标准强调试验条件的选择应与器件的实际服役工况相关联，避免采用过度严苛或过于宽松的试验条件导致试验结果失去工程指导意义。这一理念体现了现代可靠性试验从"统一化"向"场景化"发展的趋势。五、主要参与单位介绍IEC63215-2:2023标准由国际电工委员会电子元器件质量评定体系（IECQ）相关的技术委员会归口管理，具体由IEC/TC91（电子装配技术）或相关的子委员会负责制定工作。在标准制定过程中，来自全球多个国家和地区的标准化机构、行业龙头企业、研究机构和检测认证机构积极参与。标准制定过程中充分参考了JEDEC固态技术协会（JESD22-A104温度循环标准）、汽车电子委员会（AEC-Q101分立器件应力试验认证规范）等现有标准体系中的相关技术内容。其中，作为在标准制定过程中提供关键技术支持的重要参与单位之一，日本电子信息技术产业协会（JEITA）发挥了重要作用。日本作为全球功率半导体产业的重要集聚地，拥有多家世界领先的功率器件制造商和封装材料供应商。JEITA长期致力于电子零部件可靠性试验方法的标准化工作，在温度循环试验、功率循环试验及失效分析等领域积累了丰富的数据和实践经验。在IEC63215-2的制定过程中，JEITA牵头组织了多项实验室间的循环比对试验（round-robintest），为验证试验方法的可重复性和再现性提供了关键数据支持。此外，JEITA还贡献了关于银烧结材料在高温功率器件中应用可靠性的研究成果，推动了标准在高温试验条件和新型材料适用性方面的技术完善。六、标准实施的意义与价值6.1促进国际标准互认与贸易便利化IEC63215-2:2023作为国际标准，为全球范围内压模连接材料的温度循环耐久性评价提供了统一的技术语言和方法框架。各成员国在进行产品合格评定、供应链质量审核和国际市场准入时，可以依据该标准进行试验和数据交换，有效降低重复检测成本，促进贸易便利化。通过统一的试验方法和失效判据，标准有助于推动压模连接材料供应商提升产品质量的一致性和可靠性，促使材料制造商从价格竞争转向质量竞争，进而推动整个功率电子产业链的技术升级。6.3支撑新型功率器件研发验证随着SiC、GaN等宽禁带功率器件逐步走向大规模商业化应用，其对封装材料在高温、高频和强应力条件下的耐久性提出了更为苛刻的要求。IEC63215-2:2023提供了一套可用于新型封装材料筛选和验证的系统工具，有助于加速新材料的工程化应用进程。七、结论与展望IEC63215-2:2023作为专门针对分立型功率电子器件压模连接材料的温度循环试验方法的国际标准，具有显著的先进性、系统性和实用性。该标准的发布不仅填补了国际标准在此细分领域的重要空白，也为全球功率电子产业提供了一套科学、统一、可比的耐久性评价方法。展望未来，随着功率电子技术的持续演进和应用场景的不断拓展，压模连接材料的耐久性试验方法标准体系还将面临持续更新的需求。可能的演进方向包括：-功率循环试验与温度循环试验的协同标准化：将温度循环（被动热应力）与功率循环（主动热应力）相结合，构建更加全面的耐久性评价体系；-适用于宽禁带器件高温工况的试验方法开发：将试验温度上限提升至200℃以上甚至更高，以匹配SiC、GaN器件的高结温应用需求；-加速试验模型与寿命预测方法的融合：通过建立加速因子模型和外推方法，实现从加速试验数据到实际服役寿命的定量推演；-数字化试验与智能数据分析技术的应用：结合物联网传感