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摘要随着功率电子器件在新能源汽车、可再生能源、工业驱动及消费电子等领域的广泛应用，器件的功率密度与工作温度持续提升，对封装互连材料的可靠性提出了前所未有的严格要求。压模连接材料（DieAttachMaterials）作为功率器件芯片与基板之间的关键互连层，其热-力耦合疲劳失效已成为制约器件长期可靠性的核心瓶颈之一。温度循环试验作为评估互连结构热失配耐受能力的最重要加速试验方法，其试验条件、样品制备、失效判据及数据处理方法的统一规范，直接关系到不同材料体系评价结果的可比性与可信度。在此背景下，国际电工委员会（IEC）于2023年10月正式发布了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》。该标准旨在建立面向分立型功率电子器件中压模连接材料温度循环耐久性评价的统一试验规范，涵盖试验原理、试验装置、试验条件选择、样品制备、试验程序、失效判据及试验报告等完整技术要求。本报告对该标准的立项背景、技术内容、编制过程及预期应用价值进行系统分析，并详细介绍主要参与编制单位的标准化工作基础与技术贡献，以期为我国在该领域的标准转化、试验能力建设及材料评价体系完善提供参考。关键词：压模连接材料；温度循环试验；功率电子器件；耐久性试验；国际电工委员会；可靠性评价Keywords:DieAttachMaterials;TemperatureCyclingTest;PowerElectronicDevices;EnduranceTest;IEC;ReliabilityEvaluationAbstractWiththewideapplicationofpowerelectronicdevicesinnewenergyvehicles,renewableenergy,industrialdrives,andconsumerelectronics,thepowerdensityandoperatingtemperatureofdeviceshavecontinuedtoincrease,placingunprecedentedstringentrequirementsonthereliabilityofpackaginginterconnectionmaterials.Dieattachmaterials,asthecriticalinterconnectionlayerbetweenthepowerdevicechipandsubstrate,havebecomeoneofthecorebottlenecksconstrainingthelong-termreliabilityofdevicesduetotheirthermo-mechanicalfatiguefailure.Temperaturecyclingtest,asthemostimportantacceleratedtestmethodforevaluatingthetolerancecapabilityofinterconnectionstructurestothermalmismatch,requiresstandardizedspecificationsfortestconditions,samplepreparation,failurecriteria,anddataprocessingmethods,whicharedirectlyrelatedtothecomparabilityandcredibilityofevaluationresultsacrossdifferentmaterialsystems.Againstthisbackground,theInternationalElectrotechnicalCommission(IEC)officiallyreleasedIEC63215-2:2023inOctober2023.Thisstandardaimstoestablishunifiedtestspecificationsfortemperaturecyclingenduranceevaluationofdieattachmaterialsappliedtodiscrete-typepowerelectronicdevices,coveringcompletetechnicalrequirementsincludingtestprinciples,testapparatus,testconditionselection,samplepreparation,testprocedures,failurecriteria,andtestreports.Thisreportsystematicallyanalyzestheprojectinitiationbackground,technicalcontent,compilationprocess,andexpectedapplicationvalueofthestandard,andprovidesdetailedintroductionofthestandardizationworkfoundationandtechnicalcontributionsofmajorparticipatingorganizations,soastoprovidereferenceforChina'sstandardtransformation,testcapabilitydevelopment,andmaterialevaluationsystemimprovementinthisfield.一、引言1.1研究背景功率半导体器件是现代电力电子系统的核心组成单元，广泛应用于新能源发电、电动汽车、轨道交通、工业变频、白色家电及通信电源等领域。近年来，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体材料技术快速成熟，推动功率器件向高压、大电流、高频化方向持续演进。与此同时，器件封装形式不断向小型化、高集成度方向发展，芯片单位面积的热耗散密度显著攀升，封装内部的温度梯度与热应力水平随之大幅提高。在功率器件封装结构中，芯片与基板（或引线框架）之间的压模连接层承担着机械支撑、电气互连和热量传导三重功能，是决定器件散热性能与可靠性的关键界面。常用的压模连接材料包括软钎焊料（如Sn-Ag-Cu系合金）、导电胶（银烧结膏、环氧银胶）以及瞬态液相扩散焊（TLP）连接层等。由于芯片材料（硅、碳化硅等）、金属化层、基板材料和封装外壳之间热膨胀系数（CTE）存在显著差异，器件在实际服役过程中经受功率循环与环境温度变化时，连接层内将产生周期性的热机械应力。这种应力反复作用会导致连接层内部裂纹萌生与扩展、孔洞长大、界面分层以及金属间化合物（IMC）脆化等损伤演化过程，最终造成热阻增大、电气性能退化乃至器件完全失效。因此，压模连接材料的耐久性评价已成为功率器件可靠性设计、材料选型和质量控制中不可或缺的关键环节。温度循环试验（TemperatureCyclingTest,TCT）因其能够有效模拟器件在真实服役环境中的热-力耦合载荷条件，且试验周期相对可控、便于实施标准化操作，被业界公认为评价压模连接材料热机械疲劳耐久性的首选加速试验方法。1.2标准立项必要性在国际标准化层面，虽然IEC和JEDEC等组织已发布了一系列针对电子器件环境试验和可靠性试验的标准（如IEC60749系列、JESD22-A104等），但专门针对压模连接材料本身（而非完整器件）的温度循环试验方法标准长期处于空白状态。现有标准多聚焦于封装器件的整体可靠性验证，无法在材料筛选阶段对不同压模连接材料的抗温度循环能力进行统一、高效的横向对比评价。不同企业和研究机构往往根据自身经验制定内部试验规范，导致试验条件、样品形式、失效判据等方面存在显著差异，试验结果缺乏可比性，严重制约了新型压模连接材料（尤其是银烧结材料等新型互连技术）的工程应用推广和行业技术交流。在这一背景下，IEC于2020年前后正式启动压模连接材料耐久性试验方法系列标准（IEC63215系列）的编制工作。其中，第1部分规定了通用要求和试验框架，第2部分——即本报告所关注的IEC63215-2:2023——专门针对应用于分立型功率电子器件的压模连接材料，建立了温度循环试验的标准化方法。1.3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》于2023年10月24日正式发布，由国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC）归口管理。标准分类号为电子元器件组件，语言版本为英语和法语，采用电子版加密PDF格式发行。该标准属于IEC63215系列标准的第2部分，与第1部分（通用要求）和第3部分（功率循环试验方法）共同构成完整的压模连接材料耐久性试验标准体系。值得注意的是，该标准当前状态显示为“废止”（Withdrawn），这表明IEC可能已启动对该标准的修订工作，或该标准已被后续更新版本所替代。这一状态变化也从侧面反映出该技术领域的快速发展态势——随着功率器件技术的持续进步和新型封装方案的不断涌现，试验方法标准需要及时跟进与迭代。二、标准技术内容分析2.1标准适用范围IEC63215-2:2023明确规定其适用于分立型功率电子器件中所应用的压模连接材料。在这里，“分立型器件”是指单个封装的功率半导体器件（如TO系列封装、DPAK、D2PAK等形式的MOSFET、IGBT、二极管等），区别于功率模块（如IGBT模块、IPM模块）中多个芯片并联集成的封装形态。与功率模块相比，分立型器件的封装结构相对简单、芯片面积较小、热容较低，但其应用数量极为庞大，涵盖从消费电子到汽车电子的广泛领域，因此建立专门的试验方法具有很强的现实需求。该标准适用于多种类型的压模连接材料，包括但不限于：软钎焊料（焊膏、焊片）、导电胶（各向同性导电胶ICA、各向异性导电胶ACA）、银烧结材料以及瞬态液相扩散焊连接层等。标准不限定具体的材料化学成分和微观组织形态，而是从试验方法层面为各类材料的耐久性评价提供统一的技术框架。2.2试验原理温度循环试验的基本原理是将贴装有压模连接材料的试验样品置于可控温度循环环境中，通过反复经历高温保持和低温保持过程，在连接材料内部及其与芯片、基板的界面上产生循环热机械应力。由于材料间的CTE失配，温度变化过程中不同材料层的热膨胀和收缩量不同，导致连接层内产生周期性的剪切应力和法向应力。这种循环应力是导致连接材料疲劳损伤（裂纹萌生与扩展、孔洞粗化、界面分层等）的根本驱动力。该标准从失效物理学的角度出发，建立了一套能够加速损伤累积但不过度改变失效机理的试验方法。标准要求试验过程中应确保连接材料所经历的失效模式（热机械疲劳）与实际服役工况保持一致，以保证加速试验结果能够有效外推至真实服役条件。2.3试验装置与条件标准对温度循环试验装置提出了明确的技术要求，包括：-温度循环箱：应具备足够的温度范围和升温/降温速率控制能力，箱体内温度均匀性应满足±3℃以内（或按特定温度范围规定的更严格要求），温度传感器应经过计量校准并具备可追溯性。-温度监测系统：应实时记录样品附近或样品表面的温度变化曲线，以确认样品实际所处的温度严酷度与设定值的一致性。-样品夹具：用于固定试验样品的夹具应具有良好的导热性能，且应与样品材料的CTE相兼容，避免引入额外的机械应力或热阻。标准推荐了若干组温度循环条件（如-40℃/+125℃、-40℃/+150℃、-40℃/+175℃等），并明确了各组条件的适用场景——较低上限温度适用于传统硅基器件和普通焊料体系，较高上限温度则适用于宽禁带器件（SiC、GaN）及银烧结等耐高温连接材料体系。标准同时规定了推荐的温度变化速率（如15℃/min~30℃/min之间，可选择不同档位）和高低温端的驻留时间（通常各不小于10分钟），以确保样品在每循环中充分达到温度稳定。标准允许不同用户根据实际应用场景对温度范围、变化速率和驻留时间进行调整，但要求在试验报告中明确说明偏离标准推荐条件的实际参数值。2.4样品制备要求样品制备是影响温度循环试验结果的关键环节。标准对试验样品的制备过程提出了详细规定，主要包括以下几个方面：-基板要求：标准对基板的材料种类（如铜引线框架、覆铜陶瓷基板DBC/AMB等）、厚度、表面状态和热膨胀系数范围给出了明确的技术要求，以确保试验结果具有良好的可重复性和代表性。-芯片要求：规定了试验用芯片（或替身芯片）的尺寸、厚度和材料类型（硅、碳化硅等），并要求芯片背面的金属化层应与实际应用条件一致。-贴装工艺：要求压模连接材料的贴装过程应遵循材料供应商推荐的工艺窗口（包括温度曲线、压力、气氛环境等），并在样品制备记录中详细记录工艺参数，以便对试验结果进行溯源。-样品数量：标准规定了每个试验条件组的最少样品数量要求（通常不少于10个试验样品，对于破坏性分析可另行增加附加样品），并对有效样品的判定标准进行了说明。这样设计的目的是保证试验结果具有统计学意义，能够反映材料性能的分布特征。-质量检验：样品制备完成后，应通过超声扫描显微镜（SAM）、X射线检测等手段对连接层质量进行无损检测，排除存在初始焊接缺陷（大面积空洞、裂纹等）的无效样品。2.5试验程序与失效判据标准规定的试验程序主要包括以下步骤：样品初始检测（包括热阻、剪切强度等初始性能测试）、样品分组与编号、温度循环加载、周期性中间检测（每间隔一定循环次数停机取出样品进行检查）、失效判定与记录、直至达到预设终止条件。在失效判据方面，标准提出了多层次、多维度的判定体系：1.结构完整性判据：通过超声扫描显微镜（SAM）或X射线检测，观察连接层内裂纹的萌生和扩展情况、分层面积比例。当连接层有效连接面积下降至初始值的某一比例（如70%或80%，以标准规定为准）以下时，判定为失效。2.热性能判据：通过测量样品的热阻（如利用热瞬态测试法T3Ster），当热阻相对于初始值增加超过一定阈值（如+20%）时判定为失效。3.电性能判据：对于导通电阻、饱和压降等电学参数的监测，当参数漂移超过规定限值时判定为失效。4.外观开裂判据：对于裸露型连接层，通过光学显微镜直接观察表面裂纹的形态和扩展情况，当裂纹贯穿或严重开裂时判定为失效。标准同时规定，应记录失效的循环次数（循环寿命）、失效模式（通过断面分析和微观组织观察确定）、失效位置等信息，并给出了数据的统计处理方法（如威布尔分布分析）和结果报告的格式要求。2.6试验报告要求标准对试验报告的内容和格式提出了明确要求。试验报告应至少包含以下信息：试验目的、样品描述（材料类型、规格、来源、批次号）、样品制备工艺参数、试验条件（温度范围、升降速率、驻留时间、循环次数）、试验设备信息、中间检测结果与失效数据、失效模式分析（含微观组织照片）、数据统计处理结果、试验结论及与其它材料体系的对比分析等。标准要求试验报告需满足可追溯性和可复现性的要求，所有数据均应保留原始记录备查。三、标准主要参与单位介绍在IEC63215-2:2023标准的编制过程中，来自全球多个国家的标准化技术专家和企业代表共同参与了起草、讨论与修订工作。其中，日本作为功率电子器件封装技术的重要研发和产业基地，在标准制定中发挥了突出的引领作用。以下对标准编制过程中的一家重要参与单位——日本富士电机株式会社进行详细介绍。3.1富士电机株式会社概述富士电机株式会社（FujiElectricCo.,Ltd.）成立于1923年，总部位于日本东京，是日本著名的综合电气设备制造商。公司在电力电子、能源变换、工业自动化、社会基础设施等领域拥有深厚的技术积累和广泛的产品布局。在功率半导体领域，富士电机是世界领先的功率器件供应商之一，其IGBT模块、分立功率器件、SiC功率器件等产品广泛应用于工业变频器、不间断电源（UPS）、新能源汽车、轨道交通、可再生能源发电等多个战略性领域。3.2在功率器件封装与可靠性领域的技术积累富士电机在功率半导体封装材料和互连技术领域拥有数十年的工程经验和大量核心技术专利。公司自20世纪90年代以来，持续投入功率器件封装可靠性的基础研究工作，特别是在压模连接材料的疲劳失效机理、寿命预测模型和加速试验方法方面积累了深厚的数据资源和技术能力。进入21世纪后，面对新能源汽车市场爆发式增长对功率器件可靠性和功率密度的更高要求，富士电机率先在IGBT模块和分立器件中推广使用银烧结连接技术，并在该技术的工艺优化、可靠性评价和失效分析方面取得了重要突破。公司建立的压模连接材料温度循环试验数据库涵盖了数十种商用和自研连接材料体系，积累了逾百万器件·小时的试验数据，为相关标准的制定提供了宝贵的实证支撑。3.3在IEC63215-2编制中的主要贡献在IEC63215-2:2023标准的编制过程中，富士电机作为日本国家委员会（JNC/IEC）的核心成员单位，积极参与了标准草案的起草讨论、实验室间比对试验（RoundRobinTest）和标准技术条款的审查修订工作。具体而言，富士电机在以下方面做出了突出贡献：1.试验条件推荐值的确定：富士电机基于其在汽车级功率器件可靠性评价中积累的大量温度循环试验数据和失效分析案例，为标准中温度循环条件（尤其是-40℃/+150℃和-40℃/+175℃两组针对SiC器件的高严酷度条件）的确定提供了关键的数据支撑和技术建议。2.失效判据的完善：富士电机提出了基于热阻增加率和超