可靠性是一个系统或组件在额定条件 下和特定的时间周期内，执行一定功能的能力。对电力电子系统使用寿命的要求很少在10年以下，而甚至可以达到30年。

提高可靠性的要求

电力电子器件的应用正面临着日益增长的高可靠性的需求，有以下几个原因：

1）电力电子持续面临着增加功率密度的需求——通常表示单位体积的功率控制。这种需求导致功率芯片电流密度的增大和功率模块封装密度增大，从而在封装时具有更高的温度和温度梯度。

2）新的应用领域为功率封装定义了更加恶劣的环境，比如汽车混合动力牵引系统，它的内燃机冷却系统冷却液温度高达120℃,提取电力电子元器件的损耗。

3）在一些工业自动化领域，一些相互依存的频率逆变器的数目不断增长，比 如汽车装配，一个单一的生产线几百个工艺步骤是联系在一起，每一步都在保持整个生产线的运行。单一逆变器装配线上，相同操作的实用性，使得每个逆变器的平均无故障时间被除以互联的逆变器，这很容易将失败率的数量级减小到可接受的范围。

在现场应力条件下，试验功率模块的可靠性显然是不可能的，因为这些试验需要持续10-30年的预期寿命时间。因此，在过去的30年，功率模块的制造商已经开发出快速试验的程序，这来自于经验，并被认为是产品合格的底线，在总的寿命时间内验证预期的功能。

下图是常见的IGBT/MOS的可靠性试验模板：

高温反向偏置试验

高温反向偏置试验（HTRB）（有时也被称为热反向试验）用于验证长期稳定 情况下芯片的泄漏电流。HTRB试验中，芯片被施加反向偏压，在极限工作温度下，施加的反向偏压稍低于器件的阻断电压。可以预期体硅器件在这些温度下没有退化，但试验揭示了在器件边缘和钝化层中场耗尽结构的弱点或退化效应。

在场耗尽结构中为了降低芯片表面的切向场，电场分布要扩展到功率器件的边缘。场环结构可实现这样的电场分布，采用变化的横向掺杂或合适的几何外形来形成场环结构。然而，可动离子会积累在这些高场 区，产生表面电荷。装配过程或工艺残留物会污染这些可动离子源，例如，焊料剂。高温会加速工艺过程。表面电荷会改变器件的电场，产生额外的泄漏电流。它甚至可以在器件的低掺杂区产生反型沟道，并形成通过pn结的短路通道。

试验之后，失效的标准限制允许漏电流的增加，当器件与电压源断开冷却时, 可以阻止这种退化效应。另外，大多数半导体器件厂商用持续lOOOh的试验来观测漏电流，整个试验中需要一个稳定的漏电流。

高温栅极应力试验

高温栅极应力试验或者高温栅极偏置试验用于证明栅极漏电流的稳定性。在先进IGBT和MOSFET中，电压被施加到厚度不超过100nm的栅极氧化层上，导致栅极氧化层产生一个2MV/cm的电场。对于稳定的漏电流，栅极氧化层必须没有缺陷并且只允许有低密度的表面电荷。试验中最大工作温度的边界条件，再一次加速试验的进行。由于漏电流非常小（＜10nA）,该试验对芯片表面污染很敏感。在试验模块中，热电偶粘在IGBT发射极接触处用于测量，发现栅极漏电流大大增加。漏电的增加是由于胶水溶剂的残留引起的。胶水溶剂残留在栅极和发射极之间芯片的表面，引起漏电流的增加。因此，栅极漏电流的试验也要保持模块组装过程中的清洁。

温度湿度偏置试验

温度湿度偏置试验，又叫高湿度高温度反向偏置测试，主要用于测试湿度对功率组件长期特性的影响。

虽然键合线和芯片完全嵌入到硅树脂软模子中，但这种材料有很好的透水性。因此湿度可以浸入封装，到达芯片表面和结钝化区。这个试验的目的是发现芯片钝化时的缺点，了解封装材料与湿度相关的退化过程。

试验过程中施加的电场，用于半导体表面离子积累和极性分子的驱动力。另一方面，漏电流所产生的功率损失不会使芯片及其环境温度升高，因而会降低相对湿度。

高温和低温存储试验

在进行保存试验时，存储温度的最大值和最小值，已经被用于验证材料的完整性，如现代先进功率模块的封装中使用的塑料材料、橡胶材料、有机芯片钝化材料、胶水和硅树脂软模子。这些材料必须在规定的整个存储温度范围内保持其特性。在这一点上，一个注释是必要的以防止对“存储温度”的误解。“存储温度” 的命名是在半导体功率模块的初期确立的，它是指在电力电子系统中的装配功率模块的非工作温度限制，而不是指非装配功率模块的存储条件，就像名称的建议。称它为非工作温度限制可能更合适，但是功率模块早期的传统阻碍了这一转变。

长期在高温下存储对所有热塑性外壳材料的机械强度是很关键的，同时对热塑性材料预防火灾隐患需要的阻燃添加剂存在威胁。长期在低温下存储对塑性材料和橡胶材料的柔软剂很关键，它们可能会失去作用，也可以破坏塑料材料的弹性能力。

温度循环和温度冲击试验

每一个应用中的电力电子元器件，温度波动是必需的应力条件。温度循环试验和温度冲击试验是用来模拟环境温度波动的两种方法。

试验条件随外界温度的变化率而有所区别，如果温度变化率较低在10 ~40℃/ min范围内，该试验称为温度循环试验。在温度冲击试验中，环境温度变化时间少于1min。对于功率模块，温度变化通常由一个双室型设备实现，在该设备中，空气被持续加热或冷却到最大或最小试验温度，在小于1min的时间间隔内，电梯携带被测器件在两个腔室之间移动。由于气体环境的热交换率很低，模块内温度达到平衡分布的时间在30min ~2h之间变化，这取决于被测器件的总热容。一个更极端的温度冲击试验版本是液体-液体的热冲击试验，本次试验中环境温度由液体加热或冷却到需要的温度极限，例如，石油在150℃或更高、液氮在 -196℃。所有类型的温度循环试验有一个共同边界条件，要求循环时间必须足够长，以使所有组件的装配能够达到最大或最小温度，这是典型的存储温度的极限，以至于组件处于热平衡条件下。

功率循环试验

对比温度循环试验，在功率循环试验中功率芯片由功率器件自身产生损耗加热，这说明了两种试验的根本区别：在功率循环试验中，损耗的数量受到芯片技术和模块中的硅的面积的影响。因此，任何功率循环寿命的要求可以通过实施有效的硅面积来满足，以减小由芯片损耗产生的温度波动。然而，商业方面的实际应用限制了此选项。

在功率循环试验中，被测器件安装在散热器上，就像实际的应用。负载电流流经功率芯片，功率损耗加热芯片。当达到芯片最大目标温度时，负载电流断开，系统冷却到最低温度，达到最低温度就完成了循环，下一个循环由启动负载电流开始。在每个循环期间，模块内会产生相当大的温度梯度。

以上便是功率器件的封装可靠性相关知识。

注：本文为《功率半导体器件 原理、特性和可靠性》的读书笔记及网络整理

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