技术分享｜可靠性—功率循环试验

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功率循环试验是评估功率器件封装可靠性的关键测试方法之一，通过周期性导通与关断使器件结温波动，模拟实际应用中频繁开关的工作状态。本文重点介绍该试验的原理、模式、标准及实施流程。

功率循环试验原理

如图1所示，试验通过开关控制大电流以特定占空比（Duty Cycle = t_on/(t_on+t_off)）施加于被测器件，使其主动发热至最高结温T_vjmax；随后切断电流，器件冷却至最低结温T_vjmin。在此过程中，利用小电流测量V_CE(T)的变化，间接获取结温波动情况。

图1 功率循环试验原理图

功率循环试验模式

根据控制策略不同，功率循环试验可分为四种模式：

恒定电流模式

保持t_on和t_off不变，施加固定加热电流，不进行任何补偿。此模式对封装材料考验最严苛，适用于加速老化测试。

恒定功率模式

在t_on/t_off固定条件下，系统自动调节加热电流，维持器件功率恒定，避免因参数漂移影响试验一致性。

恒定壳温模式

结合冷板水流量调节，控制系统动态调整加热电流，确保器件壳温差稳定，适用于散热条件可控的应用场景。

恒定结温模式

基于结温反馈，实时调节加热电流，使结温波动幅度保持恒定，更贴近真实工况下的热管理需求。

图2 功率循环试验时序图

功率循环试验标准

主流测试标准中，AQG 324、QC/T 1136 和 T/CASA 011.3 对功率循环试验规定较为全面。以下重点解析 AQG 324 标准内容。

该标准将功率循环分为两类：

秒级功率循环（PC_sec）

导通时间 t_on < 5s，主要考核芯片附近互连结构，如芯片贴装层（Die Attach）、键合线等。

分钟级功率循环（PC_min）

导通时间 t_on > 15s，热应力可传导至整个封装体，重点评估系统焊料层可靠性，如芯片与DBC、DBC与基板间的焊接质量。

失效判定依据一致：当 V_CE/V_DS/V_F 增加超过5%，或热阻 R_th 上升超过20%时，判定器件失效。

• V_CE/V_DS/V_F 升高通常反映键合线老化；
• R_th 显著增加则表明散热路径受损，常见于界面分层或焊料退化。

由于两种试验考察的失效机制不同，需结合使用以全面验证封装可靠性。典型失效形式包括引线键合退化、金属化层降解、焊料层分层及基板开裂等。

表1 各测试标准对比

表2 PC_sec 和 PC_min 测试条件

表3 功率循环失效判据

图3 功率循环典型失效机制

功率循环试验流程

完整试验流程包含三个阶段：K系数标定、瞬态热测试和正式功率循环试验。

图4 功率循环试验流程

Step 1：K系数标定

利用器件电压与温度的线性关系，选取小电流测量V_CE作为温度敏感参数，建立ΔTJ = K×ΔV的关系式。

标定过程建议在常温至100℃范围内，每20~25℃取一个数据点。待温度稳定（5分钟内变化≤0.5°C），记录对应电压值。K系数为温度差与电压差之比（单位：℃/mV）。

标定完成后需检查曲线拟合度R²，应尽可能接近或高于0.999。

图5 K系数曲线

Step 2：瞬态热测试

正式试验前进行一次瞬态热测试，用于设置“Transient Correction”曲线。通过外推法确定“零时刻”电压V_hot，提升结温测量精度。

要求曲线拟合度R²尽量接近99.999%。

图6 瞬态热测试曲线

Step 3：功率循环试验

初始阶段可调节t_on、t_off、冷板水流量等参数，使器件达到目标结温范围。一旦试验启动，不得更改控制参数。

每个周期内，大电流关断瞬间达到T_vjmax，随后自然冷却至T_vjmin，形成完整热循环。

试验过程中持续监控V_on、T_vjmax、T_vjmin、R_th等参数。当R_th上升≥20%或V_on增加≥5%时，判定为失效。

图7 单个周期内的器件导通与关断曲线

图8 器件2万次循环下的V_on与R_th