随着消费者和工业电子系统不断增长的能源需求，电子电力元器件供应商以及OEM 面临着为航空、电动车、火车、发电设备以及可重复使用能源生产提供高可靠性系统的挑战。独特的 Simcenter POWERTESTER™ 1500A 软件应运而生，通过更快地测试和诊断出电力元器件可能的故障原因，帮助应对上述挑战。该白皮书以使用IGBT 模块为例，用以说明如何解决这个问题。
使用工业级热特征提取方法提高大功率半导体的测试与故障诊断速度
随着消费者和工业电子系统不断增长的能源需求，电子电力元器件供应商以及
OEM 面临着为航空、电动车、火车、发电设备以及可重复使用能源生产提供高可靠性系统的挑战。独一无二的 Simcenter POWERTESTER ™ 1500A 软件应运而生，通过更快地测试和诊断出电力元器件可能的故障原因，帮助应对上述挑战。下面是两个使用 IGBT 模块的例子，用以说明如何解决这个问题。
高载荷和长寿命条件下的可靠性挑战
电力电子元器件（例如 MOSFET、二极管、晶体管和 IGBT）被广泛用于各种产生、转换和控制电能的场合。由于消费者和工业应用的能源需求不断增加，功率模块制造商所面临的挑战是要在保持高质量和高可靠性的同时，提高最大功率和电流负载能力。例如，铁路牵引应用的预期可靠使用寿命为30 年，而对于纳入到混合动力和电动车的功率模块以及太阳能和风力涡轮机的能量生产系统而言，则要求循环数达到50,000 到数百万。
随着需求变得越来越紧迫，创新带来了一些新的技术，例如使用具有增强热传递系数的陶瓷基板和带式键合来取代粗封装键合线，以及使用无焊料芯片粘接技术来增强模块的功率循环能力等等。新的基板有助于降低温度，载带可
载荷更大的电流，而且无焊料芯片粘接可以是烧结的银，具有特别低的热阻。简言之，就是对热流路径进行了改进。
但是，这些系统上的热和热 - 机械应力仍然会造成相关的功率循环和散热故障。这些应力可能会导致很多问题，如封装键合线降级（图 1）、焊接疲劳、叠层分层、芯片或基板破裂。
功率循环失效测试的传统工艺需要不断重复且耗时费力，其只能在 “事后” 进行，而且必须在实验室里对封装的内部状况进行分析。
Simcenter POWERTESTER 如何提高测试和诊断速度
Simcenter POWERTESTER 1500A是唯一专为制造以及实验室环境设计的设备，它能够在自动功率循环的同时为正在发生的故障诊断生成实时分析数据（图 2）。它用于更快地完成使用寿命测试，并可提高使用电力电子模块的应用系统可靠性。
Simcenter POWERTESTER 1500A是用于电子元件、LED和系统的 Simcenter T3STER ™ 热测量和热特征提取技术的工业实施。Simcenter POWERTESTER 1500A是目前唯一能够在一台机器上同时进行全自动功率测试和循环，而不必在此过程中拆卸下被测器件的设备。其简单易用的触摸屏界面方便技术人员在生产车间内使用，也便于故障分析工程师在实验室中使用（图 3）。
Simcenter POWERTESTER 1500A可以感测电流、电压和芯片温度，并使用结构函数分析来记录封装结构中的变化或故障，这是分析 MOSFET、IGBT和通用双极器件的首选。本机可用于增强和加速封装开发、可靠性测试，以及在生产前对输入的元件进行批量检查。
示例：通过循环使用寿命测试 IGBT 模块
电子电力模块及其相关组件和系统的设计人员必须确保芯片和基板之间的热阻尽可能地低，必须创建可靠的键合并确保芯片粘接层在产品的使用寿命内能够承受极大的热载荷（图 4）。设计人员必须了解最大载荷循环数和器件温度
/ 载荷条件之间的关系，才能较为准确地估算功率模块的使用寿命。
随着纯电动和混合动力车辆的问世，IGBT 器件在牵引和高压变流器应用领域已占据龙头地位，而各种结点中散发的热量对这些元器件的可靠性会有很大影响。工作过程中的高结温和高温度梯度会引起机械应力，尤其是在具有不同热膨胀系数的材料之间的接触面上，而这可能导致降级甚至完全失效。
我们对四个包含两个半桥的中功率 IGBT 模块进行了测试， 以证明可以通过元器件的自动功率循环获得丰富数据。这些实验的详细信息曾在 2013 年 IEEE 电子产品封装技术大会和 2014 年 SEMI-THERM 会议 [1, 2] 上介绍过。这些模块被固定在 Simcenter POWERTESTER 1500A 中集成的冷板上（采用液冷散热），用一块高热导率导热垫来尽量减小界面间的热阻。在整个实验过程中，我们通过Simcenter POWERTESTER 1500A控制的液冷循环器将冷板温度始终保持在 25 ° C。将器件的栅极连接到器件的漏极（即所谓的 “放大二极管设置”），同时各个半桥使用单独的驱动电路供电。两个电流源分别连接到相应的半桥。使用一个可以快速切换开关状态的大电流电源对这些器件施加阶跃式功率变化。另外使用一个低电流电源为 IGBT提供连续偏压，这样可在加热电流关闭时测量器件温度。
在第一组测试中，我们采用恒定的加热和冷却时间对四个样品分别进行了测试。选择的加热和冷却时间分别是加热3秒钟和冷却 10秒钟，在200 W功率条件下将初始温度波动保持在100° C左右。这样的测试设置可以最贴切地模拟实际应用环境，在此环境中，热结构的降级会导致结温升高，进而加速器件老化。
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