0
01:50:37 - 18.08.2018
Валюта: Р (RUB)
  • Р (RUB)
  • $ (USD)
  • € (EUR)
13:32:53 - 21.07.2018

Количественный анализ дефектов в тепловых трактах высокомощных модулей с помощью тестера

Тракт теплового потока в испытании этого типа можно представить эквивалентной электрической резистивноемкостной схемой Кауэра. Тестер T3Ster использует тепловой импеданс с помощью таких функций неразрушающего контроля, которые выявляют структурные дефекты в теплопроводящем тракте. В этой статье тепловое сопротивление «переход-корпус» (RTHJC) и область растрескивания сравниваются с треснувшими и отслоившимися участками, обнаруженными с помощью системы сканирующей акустической микроскопии (SAM) в стандартном силовом IGBT-модуле на 1,2 кВ/200 А, который подвергся активному термо-циклированию для выявления деградации припоя на поверхности между основанием модуля и подложкой. Изображения, полученные через равные интервалы времени методом акустической микроскопии на нескольких этапах испытаний с циклическими нагрузками, применялись для наблюдения над постепенной деградацией припойного слоя. В качестве испытуемого образца (см. рис. 1) выступал силовой трехфазный модуль IGBT, состоявший из трех секций с медным основанием. В каждой из них находились два кристалла IGBT и два отдельных диода [1].

1.PNG

IGBT-модуль был установлен на холодную пластину с каптоновой пленкой толщиной 25 мкм, используемой в качества интерфейсного материала между холодной пластиной и основанием. Эта пленка позволяет увеличить тепловое сопротивление между корпусом и внешней средой, чтобы обеспечить достаточно высокую амплитуду циклических колебаний температуры на поверхности раздела между корпусом и подложкой и, таким образом, ускорить процесс деградации припойного слоя на подложке по сравнению с другими механизмами отказа. На все IGBT-модули подавалось напряжение смещения затвор-эмиттер VGE = 15 В таким образом, что ток для термоциклирования lc и измерительный ток lM были поделены между тремя выводами модуля. Напряжение коллектор-эмиттер VCE измерялось для всех ячеек модуля и, следовательно, представляет собой «среднее» значение для этих трех выводов.

Калибровочная кривая Tj = f(VCE) при неизменном измерительном токе lM = 200 мА использовалась для расчета температуры перехода Т,. Ток для термоциклирования lc регулировался силовым тестером так, чтобы поддерживать неизменной величину ДТ, = 120 К при ТДмакс.) = 140°С и ТДмин.) = 20°С с учетом значения VCE при температуре воды на уровне 20°С. Интервалы времени нагрева и охлаждения были равны 50 и 60 с, соответственно. При этом величина ДТ составила 70 К на поверхности подложки при Т(макс.) = 90°С и Т(мин.) = 20°С. Испытания начались при исходной величине тока 1с = 236 А, при которой мощность рассеяния PD составила 704 Вт. По мере увеличения теплового сопротивления в процессе испытания, что было обусловлено усталостью припоя, величина 1с регулировалась таким образом, чтобы ATj была постоянной. В этих условиях механизм отрыва проволочного соединения еще не наблюдается, и припой на подложке деградирует быстрее.

Через каждые 1000 циклов термо-циклирование приостанавливалось, и с помощью тестера 1500А Power Tester измерялся тепловой импеданс модуля. В целом, за одно испытание проводилось 17 измерений теплового импеданса. Определение характеристик осуществлялось в процессе термоци-клирования с помощью акустического микроскопа PVATePla АМ300. Сканирующая акустическая микроскопия - неразрушающий метод, с помощью которого создается изображение внутренних элементов образца, выявляются разрывы и пустоты субмикронной толщины. Акустический микроскоп позволят получить двумерные изображения в градациях серого по отраженным ультразвуковым сигналам. Дефекты на внутренних слоях нарушают однородность структуры и препятствуют прохождению ультразвуковых сигналов. Дефекты в припое на подложке являются причиной образования теней на изображениях (С-сканах), полученных путем сканирования кристалла (см. рис. 2). Таким образом, эти изображения позволяют четко установить границы между неповрежденными участками и областями с нарушенной структурой. Однако, поскольку акустический метод не определяет точное положение дефектов внутри кристалла, потребовался также корреляционный метод исследования поперечного сечения образцов, заимствованный из металлургии.

2.PNG

Термоциклирование завершалось после 17700 циклов. К тому моменту тепловое сопротивление «переход-внешняя среда» RTHW повышалось на 14% относительно исходного значения. После измерений все IGBT-устройства сохраняли электрический функционал. По завершению последнего исследования методом акустической микроскопии исследовалось поперечное сечение образцов с помощью оптического микроскопа, чтобы подтвердить деградацию устройств. Изображение IGBT-модуля было получено в исходном состоянии, т.е. до испытаний. Из рисунка 2 видно, что в его внутренней структуре на начальном этапе отсутствовали трещины или пустоты. Термоциклирование прерывалось, чтобы получить сканы, после 9100, 10450, 13350 и 15500 циклов. После 17700 циклов испытание завершалось, и осуществлялось заключительное сканирование. Доля неповрежденной (контактирующей) площади участков рассчитывалась как отношение числа белых пикселов к общему числу пикселов.

3.PNG

На рисунке 3 показана доля неповрежденных участков на уровне припоя в зависимости от количества термоциклов. В исходном состоянии (0 циклов) эта доля составила 93%. Так произошло потому, что алгоритм обработки данных определяет разделительные линии между разными подложками и между медными проводниками, а также контактами проволочных соединений как черные пикселы (трещины). Однако этот эффект не повлиял на наблюдавшиеся тенденции,поскольку он учитывался и в последующих снимках. С ростом числа циклов площадь растрескавшихся участков в припое увеличилась, что привело к постепенному сокращению контактирующей площади. После 17700 циклов доля этой площади уменьшилась до 43%.

4.PNG

Из рисунка 4 видно, как изменяется структурная функция с увеличением числа термоциклов. Это изменение, сопровождающееся ростом теплового сопротивления, начинается с поверхности раздела между основанием и подложкой, где наблюдается расширение материала сопротивление «переход-корпус» RTHJC измерялось с помощью структурной функции в торце основания модуля перед началом измерения области с каптоновой пленкой.

5.PNG

На рисунке 5 показана зависимость Rthjc от числа циклов. Видно, что вели¬чина Rthjc не меняется до отметки 8000 циклов, а затем резко увеличивается к концу испытаний. Суммарное приращение RTHJC составляет около 70% от исходного значения 0,024 °С/Вт. Это приращение является результатом появления трещин в припое на границе раздела между подложкой и основанием, что подтверждают данные исследования поперечного сечения образца (см. рис. 6).

6.PNG

На рисунке 5 также представлены значения RTHJC, измеренные после 7000, 9000, 11000, 15000 и 17000 циклов и представленные на графике в виде зависимости от доли неповрежденной площади, значения которой рассчитывались по сканам акустического микроскопа (см. рис. 2). Видно, что по мере сокращения этой площади тепловое сопротивление резко увеличивается. Следует также заметить, что точность структурной функции, определяющей дефекты конструкции, зависит от относительного положения кристалла и повреждений. Это значит, что точность функции выше в отношении дефектов, расположенных под кристаллом, поскольку такие повреждения оказывают непосредственное тепловое воздействие на полупроводник. В то же время, структурная функция, описывающая дефекты на некотором удалении от кристалла, обеспечивает меньшую точность. Это обстоятельство объясняет, почему структурная функция не меняется до тех пор, пока процент трещин в припое на границе «подложка-корпус» не достигнет 35%. Трещины в припое, которые начинают появляться на углах подложки, не оказывают влияния на тепловой поток от полупроводниковых кристаллов к радиатору. Однако с возникновением трещин в направлении центра подложки тепловой поток блокируется, и только тогда структурная функция начинает указывать на наличие повреждений.

7.PNG

На рисунке 7 показана дифференциальная структурная функция К (RX), полученная с помощью тестера T3Ster для интервала циклов 7000-15000. Каждый пик на этом графике соответствует слою другого материала с иной площадью поперечного сечения. Уменьшение амплитуды пика указывает на сокращение площади поперечного сечения слоя, который соответствует этому пиковому значению. Смещение положения пика по оси х свидетельствует об изменении теплового сопротивления соответствующего слоя. Таким образом, имеется Кроме того, толщину слоя можно установить, если известны свойства материала. Наибольшее пиковое значение наблюдается у пика 3, который соответствует уровню основания. Остальные пики относятся к другим материалам, через которые распространяется тепловой поток.

8.PNG

В наибольшей степени уменьшаются амплитуды пиков 2 и 3. В то же время, амплитуды пиков 1 и 4 остаются практически неизменными. Это уменьшение амплитуды означает сокращение площади поперечного сечения припойного слоя, который находится между подложкой DBC (direct bonded copper - прямо присоединенная медь) и основанием. При этом увеличивается тепловое сопротивление припойного слоя, на что указывает смещение пиков 2 и 3 по оси х в сторону увеличения значений. На рисунке 8 показана зависимость величины К пика 3 (т. е. корпуса) от количества циклов.

9.PNG

Уменьшение величины К с увеличением числа циклов указывает на уменьшение площади поперечного сечения. Чтобы выявить взаимосвязь между двумя этими переменными, значения площади поперечного сечения, полученные методом акустической микроскопии, сравнивались с величиной К, определенной дифференциальной структурной функцией T3Ster. Линейная зависимость, представленная на рисунке 9, находится в хорошем соответствии с теоретическими расчетами [1] и является очень важным выводом этого исследования. Все IGBT в рассматриваемом модуле, которые прошли испытания, сохранили работоспособность после 17700 циклов испытаний. При этом изображения, полученные методом акустической микроскопии, показали, что структура под каждым отдельным IGBT- кристаллом разрушилась в разной мере.


Одна из целей этого эксперимента заключалась в исследовании возможности обнаружить нарушения в однородном распространении теплового потока с помощью структурных функций для отдельных кристаллов IGBT, а не только для всего модуля в целом. В этом исследовании в качестве интерфейсного материала применялась термопаста вместо каптоновой пленки. Измерялся локальный тепловой импеданс каждого отдельного IGBT- кристалла модуля, а затем рассчитывалась структурная функция. Значение неповрежденной площади под каждым отдельным IGBT-кристаллом определялось по скану после 17700 циклов (см. рис. 10). IGBT-кристаллы были пронумерованы с первого по шестой, и под каждым были рассчитаны значения площади с помощью методологии MatLab [1].

10.PNG

11.PNG

Полученные значения неповрежденной площади под каждым кристаллом показаны на рисунке 11а. Из него видно, что наименьшая доля неповрежденной площади у кристалла 4, а у кристалла 1 этот показатель наи¬больший. На рисунке 116 представлена интегральная структурная функция для каждого отдельного IGBT. Большая разница, наблюдаемая между кривыми, обусловлена разными уровнями дефектов на поверхности раздела между подложкой и основанием под каждым кристаллом. Разные тепловые слои в наибольшей мере различаются на кривых, соответствующих устройствам 1 и 6, т. к. у этих кристаллов усталость припоя выразилась в наименьшей мере.

12.PNG

13.PNG

Характерные особенности разных слоев структуры начинают исчезать по мере увеличения локального расслоения в других устройствах. Например, из-за того, что устройство 4 в наибольшей степени пострадало от растрескивания, его разные слои стало трудно отличить друг от друга. Мы пришли к выводу о том, что тепловое сопротивление между переходом и внешней средой (RTHJA) можно непосредственно сравнить с долей неповрежденной площади под отдельными IGBT-кристаллами. На рисунке 12, результаты которого схожи с рисунком 5, показана зависимость теплового сопротивления RTHJA отдельных IGBT- кристаллов от неповрежденной площади припоя под каждым из них. Видно, что и в этом случае RTHJA коррелирует с величиной неповрежденной площади. На рисунке 13 показана линейная зависимость между величиной К и квадратом неповрежденной площади каждого отдельного IGBT-кристалла.

ВЫВОДЫ

В статье представлены результаты исследования, целью которого стал анализ с помощью структурных функций системы MicReD T3Ster, применяемой в тестере 1500А Power Tester от компании Mentor Graphics как инструмента неразрушающего контроля, для проверки целостности теплового потока в высокомощных многокристальных полупроводниковых модулях в условиях многократного термоциклирования. Силовой IGBT-модуль на 1,2 кВ/200 А, состоящий из шести IGBT-кристаллов, прошел термоциклирование, чтобы активировать механизм накопления усталости припоя на поверхности раздела между подложкой и основанием модуля. В процессе термоциклирования с постоянными интервалами осуществлялись измерения теплового импеданса и получение изображений методом акустической микроскопии. На основе результатов была рассчитана тепловая структурная функция, и определена площадь растрескивания в припойном слое. Анализ причин разрушения с использованием неповрежденной площади поперечного сечения подтвердил местонахождение дефектов в припойном слое на поверхности раздела между подложкой и основанием.

Это исследование позволило установить четкую корреляцию между изменением величины теплового сопротивления «переход-корпус» (RTHJC), полученной с помощью структурной функции, и оставшимися неповрежденными участками припойного слоя, площадь которых была рассчитана по снимкам акустического микроскопа. Было установлено, что значение К, полученное с использованием дифференциальной структурной функции, линейно зависит от квадрата неповрежденной площади, расчет которой осуществлялся с помощью снимков. Схожие результаты были получены для структурной функции, рассчитанной с помощью локаль¬ного измерения тепловых импедансов отдельных IGBT-кристаллов модуля.

Таким образом, тестер MicReD Power Tester 1500А и его структурные функции позволяют оценить неразрушающим методом деградацию в отдельных слоях силового модуля и в отдельных устройствах. Следовательно, этот прибор можно применять как основное средство контроля для оперативных испытаний целостности тракта теплового потока в силовых модулях, прежде чем принять решение о необходимости использования таких трудоемких альтернативных методов как сканирующая акустическая микроскопия или разрушающий анализ.

13:32:53 - 21.07.2018
Возврат к списку