聊聊IPM智能功率模塊故障測試的那些事

隨著了工業製造水平的提高，IPM的生產技術得到了極大的發展，器件的可靠性問題將是未來研究的面臨的新挑戰。針對國內外近年來在智能功率模塊失效分析方面的主要研究內容，綜述了智能功率模塊應用失效的測試方法以及失效定位技術，總結了連續性失效，絕緣性失效，HVIC故障，IGBT故障，NTC故障的測試方法，並分析了這些器件故障可能的失效原因。最終總結了通過測試方法進行快速IPM失效的故障定位方法。

IPM(Intelligent Power Module),即智能功率模塊，將功率開關器件和驅動電路集成在一起，內部包括了過壓保護，過流保護，過溫保護，短路保護，欠壓保護等檢測電路。當發生負載事故或使用不當時，可將檢測信號送到CPU,保證自身不受損壞。IPM因其運行可靠性高，功能強大，並具有自診斷和保護功能，廣泛應用於驅動電機的變頻器和各種逆變電源。

IPM的使用過程中會產生各種故障,在儘可能小的破壞晶片的同時，通過功能測試的方法快速定位失效位置是一項非常關鍵的技術，也是其中不可缺少的一個重要環節。文章從智能功率模塊的結構開始，主要介紹IPM電路結構和模塊測試方法，為快速故障區域定位提供依據，大大縮短了失效分析周期。

1 IPM電路結構

以三相逆變器為例，其內部結構如圖1所示。

圖1 智能功率模塊內部結構原理圖

其基本組件包括：

(1)6個IGBT逆變器電路功率模塊，IGBT1到IGBT6組成逆變橋。

(2)6個快速超軟恢復續流二極體（ultra-soft Freewheeling Recovery Diode, FRD），FRD1-FRD6是與六個主IGNT反並聯的回饋二極體。

(3)3個半橋高壓柵極驅動器（High Voltage Integrated Circuit ,HVIC），提供了無需光電耦隔離的IGBT驅動能力，大大降低了逆變系統的總成本。HVIC設定了最佳的IGBT驅動條件，驅動電路與IGBT距離短，輸出阻抗低，不需要加反向偏壓。

(4)1個負溫度係數熱敏電阻（NTC Thermistor）控制溫度變化。IPM內部的絕緣基板上設有溫度檢測元件，檢測絕緣基板溫度(IGBT,FRD晶片異常發熱後的保護動作時間比較慢)，對於晶片的異常發熱能高速實現過熱保護。

(5)3個濾波電容器（RC），RC1-RC3分別對3個HVIC電源輸入端進行濾波處理。

2 IPM故障測試及失效定位

IPM模塊內部元器件眾多，相互關聯相互影響，而分離各個元器件需要首先對晶片進行去模封處理，處理的過程可能產生新的影響。因此，通過測試方法儘快準確定位失效區域是很重要的。

對此，本文提出了一個完整的故障測試流程，如圖2所示，能夠針對IPM模塊的各個組件進行測量，在儘可能小的損壞晶片的情況下快速定位故障位置。

圖2 智能功率模塊漏電流測試流程

2.1 絕緣性測試

絕緣性測試又稱高壓測試。測試的基本原理是將一規定交流或直流高壓施加在電器帶電部分和不帶電部分（絕緣外殼）之間以檢查晶片絕緣材料所能承受耐壓能力[2]。

圖3 絕緣性測試示意圖

實驗室採用耐壓測試儀進行絕緣性測試。如圖3所示，將所有管腳短接接測試儀負極，晶片背部銅基板接電源正極，根據產品數據手冊，測試電壓必須在5s內逐漸地上升到所要求的試驗電壓值（例如3kV等），保證電壓值穩定加在被測絕緣體上不少於5s，此時所測迴路的漏電流值與標準規定的洩漏電流閾值相比較，就可以判斷被測產品的絕緣性能是否符合標準.

絕緣測試失效時，失效區域主要在封裝介質上。主要失效模式包括：

1）  介質內空洞（圖4a）。導致空洞產生的主要因素為環氧樹脂內的有機或無機汙染、封裝過程操作不當等。空洞的產生極易導致漏電，進而導致器件內局部發熱，降低介質的絕緣性能從而導致漏電增加。

2）

 

機械應力裂紋（圖4b）：在應用過程中,較大的應力可能造成晶片的應力裂紋，導致耐壓降低。如圖4所示，頂針壓力設置過大，造成DBC, Direct Bonding Copper陶瓷附銅基板產生應力裂紋，最終產生絕緣測試失效。應用過程中的人員的不當操作，機器故障；元件接插操作等都可能產生晶片的外力損傷。

（a）介質空洞引發的高壓從測試失效

（b）覆銅陶瓷基板應力裂紋造成絕緣失效

圖4 絕緣測試故障失效模式

2.2 熱阻測試

熱阻是表徵IPM電路散熱性的重要參數，由於IPM往往內置多個功率器件，因此對於散熱的要求非常高。如果電路的熱阻不佳，將導致功率器件產生的熱量無法及時散發，使IPM內部的電路處於高溫的工作狀態，這將IPM的使用壽命和性能都受到影響。IPM模塊內置1個負溫度係數熱敏電阻(NTC)控制溫度變化。如果基板的溫度超過設定閾值，IPM內部的保護電路關斷門極驅動信號，不響應控制輸入信號，直到溫度降下來到另一設定閾值以下，IGBT方可恢復工作。

實際測量NTC熱敏電阻的方法與與測量普通固定電阻的方法相同。簡單快速的驗證方法是將IPM模塊T1,T2管腳連接數字萬用表，對IPM進行加熱，如果其阻值不變化或者電阻無窮大，則說明已損壞。

如果需要精確測量NTC熱敏電阻，則需要對IPM模塊進行去模封處理，將NTC熱敏電阻裸露出來，先在室溫下測得電阻值RT1；再用加熱臺作熱源對熱敏電阻進行極加熱，測出電阻值RT2，同時使用紅外測溫儀測出此時熱敏電阻NTC表面的平均溫度。實驗室採用數字萬用表測量熱敏電阻在不同溫度下的電阻值，利用收集到的數據，在Matlab中可繪製NTC熱敏電阻的R-T曲線，如圖5所示。並利用最小二乘法確定熱敏指數B。

其主要的失效機理有：NTC焊接不良（圖6a），外力損傷產生應力裂紋（圖6b），電極有效面積減少，非平衡態的轉變過程，晶粒表面態的變化，過電應力等

(a)    NTC焊接不良，傾斜導致開路失效

(b)    NTC邊緣應力損傷，導致參數漂移失效

圖6 熱阻測試故障失效模式

2.3 連續性測試

連續性測試是通過在待測管腳施加正向偏置，測量待測管腳二極體的自然壓降，以此確定連接性的方法。這項測試能夠有效的對IPM各個管腳之間的電路進行檢測。

實驗室採用I/V 曲線追蹤儀確定管腳間電路是否有異常。因為IPM內部各通道相互獨立（通道U,V,W），因此可以逐步對各通道施加激勵進行檢測。管腳間測試實際上就是測試晶片內部ESD保護電路。ESD保護電路一般設計在焊盤（Bond Pad）附近，保護電路的差異也會影響IV曲線的測試結果，因此需要與正常品進行對比。如圖7所示，正常標準品測試曲線如曲線1，失效品測試曲線如曲線2，存在一定漏電流。因此，可以通過連續性測試方法將失效區域定位在管腳間的連接電路。

（a）電源輸入端I-V曲線測試

  

（b）信號輸入端I-V曲線測試

（c）低壓輸出端I-V曲線測試

圖7 連續性測試IV曲線示意圖

連續性失效存在於測試腳之間的電路。當管腳間連接線斷開或者鍵合失效，出現開路失效（圖8）；當測試腳之間存在金屬絲殘留，或者內部電路金屬層融化，則出現短路失效；當內部二極體存在工藝缺陷或者被外界幹擾所損傷時，也可能造成短路及漏電流失效。

圖8 管腳鍵合線斷開造成開路失效

2.4 超快恢復二極體特性測試

超快恢復二極體是一種具有開關特性好，反向恢復時間極短的半導體二極體，能夠給IGBT作續流、吸收、箝位、隔離、輸出和輸入整流器，使開關器件的功能得到充分發揮。反嚮導通電壓是指IPM內置功率開關器件(IGBT)處於關閉狀態時，當從FRD流過一定的電流後，FRD兩級之間的電壓差。

圖9 超快二極體特性測試

超快恢復二極體特性測試方法及正常品測試曲線如圖9所示。因為直接對二極體施加偏壓不會影響到IPM其他電路，因此在不需要施加VCC偏壓的條件下就能完成對二極體性能的檢測。

超快速二極體失效固有失效主要表現在晶圓設計工藝結構缺陷、焊接工藝問題,導致晶圓焊接時產生高溫銅遷移,抗機械應力水平下降。在實際應用中又因為器件引腳跨距設計不合理導致器件受機械應力影響加深失效程度,最終出現過電擊穿失效（圖10）。

圖10 超快二極體歐姆接觸失效

2.5 IPM模塊功能測試

IPM模塊實現正常工作的參數主要包括集電極-發射極電壓VCES，集電極-發射極電流ICES，集電極-發射極飽和電壓VCESAT和集電極峰值電流ICM。

2.5.1高壓漏電流測試

高壓漏電流（IDSS）的測試也包括兩部分，即IPM內置功率開關器件處於關閉狀態下的CE漏電流測試和IPM內置HVIC的高壓端（VS）漏電流測試。

基本測試電路如圖11所示,對相應通道的HVIC提供激勵使得IGBT 處於關閉狀態（電源輸入端輸入供電電壓，Vboot高壓懸浮接口輸入電壓高於供電電壓，將HIN高電平信號輸入端接地與LIN低電平信號輸入端輸入接地，T1MOS管關斷），在集電極-發射極施加電壓，增加VCE到規定值，所測得的IC即為ICES。曲線1為正常品高電壓漏電，曲線2為失效品測試結果，相對於正常品漏電流增大，同時擊穿電壓降低。

圖11 高壓漏電流測試

2.5.2通態飽和壓降測試

IGBT通態飽和壓降VCEsat是指在門極電壓驅動下，IGBT工作於飽和區，IGBT集電極(C)與發射極極（E）之間的電壓差。飽和壓降是衡量IGBT是否過流的重要指標。

基本測試電路如圖12所示,對相應通道的HVIC提供激勵使得IGBT 處於飽和狀態（電源輸入端輸入供電電壓，Vboot高壓懸浮接口輸入電壓高於供電電壓，將HIN高電平信號輸入端接地，LIN低電平信號輸入端輸入邏輯『1』，T1MOS管達到飽和狀態），在集電極-發射極施加規定電壓，達到飽和值時，電流急劇增大。

圖12 正嚮導通電壓測試

在門極驅動電壓存在的情況下，發生IGBT過流，VCE會急劇上升，一般當VCE大於飽和壓降10us左右，IGBT就會損壞。

針對IPM模塊功能參數測試需要驅動HVIC提供開關信號至G極，因此，當測試結果出現異常時，需要根據具體的失效來判斷具體的失效位置在HVIC還是IGBT區域。例如，擊穿電壓降低，漏電流增大，但是曲線符合高壓漏電測試曲線趨勢時，可以將失效位置定位在IGBT上。如果IGBT沒有被正常開啟，則故障位置很可能在HVIC上。

2.6 分離元器件功能測試

當IPM模塊功能測試結果不足以判斷失效位置，或者IGBT確認失效而無法確認是否為HVIC故障導致的IGBT失效時，需要將IGBT與HVIC分離，進行進一步的測量。

實驗室採用去模封處理，將HVIC輸出端與IGBT綁線進行切割的方法實現分離，然後使用探針臺對分離後的元器件分別進行搭線，完成測試過程。

2.6.1 IGBT參數測試

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型電晶體)，是由BJT(雙極型三極體)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。IGBT器件的晶片結構和等效電路如圖13所示。

圖13 IGBT晶片結構和等效電路圖

IGBT的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP(原來為NPN)電晶體提供基極電流，使IGBT導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關斷。IGBT的柵極(G)為多晶矽材料，與N基區中間間隔一層SiO2絕緣層。作為絕緣層的SiO2層非常薄，十分容易受損，因此，對IGBT的安全可靠與否進行評估的重要參數就是IGSS漏極短路時截止柵電流,IDGO源極開路時，截止柵電流。

實驗室採用曲線追蹤儀AC模式，按圖14完成IGBT參數測量。

（a）        正常品IGSS漏極短路時截止柵電流

(b) 正常品IDGO源極開路時，截止柵電流

圖14 IGBT參數測試

IGBT模塊失效原因主要有：過溫，過流(圖15)，過壓，動態雪崩擊穿，熱電載流子倍增，表面問題、金屬化問題、壓焊絲鍵合問題、晶片鍵合問題、封裝問題、體內缺陷等。

 

      圖15 液晶聚集點發現過流引起的金屬熔化現象

2.6.2 HVIC參數測試

連續性測試能夠對HVIC的輸入端做基本的檢測，但是HVIC輸出端與IGBT相連，因此，在對IGBT進行功能檢測時需要首先將HVIC從IPM模塊中進行分離。所以，針對HVIC晶片進行測試。驅動IC應用電路如圖所示。對驅動IC進行功能驗證時，需要藉助外圍電路對IC驅動能力進行驗證。驅動輸出波形如圖16所示。正常品HVG,LVG輸出波形滿足真值表；失效品輸出波形異常，LVG輸出正常，HVG無輸出。

  

（a） HVIC應用電路圖

 

（b）        HVIC驅動輸出波形圖

 

 

 

（c） HVIC驅動真值表

圖16 HVIC應用測試及輸出

由EOS和ESD造成的IC失效佔現場失效器件總數的50%左右。HVIC主要的失效來源於過電應力。過電應力是指晶片在使用過程中電源端所加的應力超過器件所規定的最大應力。在過電應力的作用下，在器件局部形成熱點，熱點溫度達到材料熔點時，會形成開路或短路失效，破壞電路結構（圖17）。

圖17 HVIC內部保護電路發現ESD引起VIA熔化現象

關鍵字：IPM智能功率模塊  驅動晶片（HVIC） 編輯：muyan 引用地址：http://news.eeworld.com.cn/dygl/2018/ic-news070528601.html

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