IPM智能功率模块故障测试及失效定位

随着了工业制造水平的发展，IPM的生产技术得到了极大的发展，器件的可靠性问题将是未来研究的面临的新挑战。针对国内外近年来在智能功率模块失效分析方面的主要研究内容，综述了智能功率模块应用失效的测试方法以及失效定位技术，总结了连续性失效，绝缘性失效，HVIC故障，IGBT故障，NTC故障的测试方法，并分析了这些器件故障可能的失效原因。最终总结了通过测试方法进行快速IPM失效的故障定位方法。

0 引言

IPM(Intelligent Power Module)，即智能功率模块，将功率开关器件和驱动电路集成在一起，内部包括了过压保护，过流保护，过温保护，短路保护，欠压保护等检测电路。当发生负载事故或使用不当时，可将检测信号送到CPU,保证自身不受损坏。IPM因其运行可靠性高，功能强大，并具有自诊断和保护功能，广泛应用于驱动电机的变频器和各种逆变电源[1]。

IPM的使用过程中会产生各种故障,在尽可能小的破坏芯片的同时，通过功能测试的方法快速定位失效位置是一项非常关键的技术，也是其中不可缺少的一个重要环节。文章从智能功率模块的结构开始，主要介绍IPM电路结构和模块测试方法，为快速故障区域定位提供依据，大大缩短了失效分析周期。

1 IPM电路结构

以三相逆变器为例，其内部结构如图1所示。

其基本组件包括：

(1)6个IGBT逆变器电路功率模块，IGBT1到IGBT6组成逆变桥。

(2)6个快速超软恢复续流二极管（ultra-soft Freewheeling Recovery Diode, FRD），FRD1-FRD6是与六个主IGNT反并联的回馈二极管。

(3)3个半桥高压栅极驱动器（High Voltage Integrated Circuit ,HVIC），提供了无需光电耦隔离的IGBT驱动能力，大大降低了逆变系统的总成本。HVIC设定了最佳的IGBT驱动条件，驱动电路与IGBT距离短，输出阻抗低，不需要加反向偏压。

(4)1个负温度系数热敏电阻（NTC Thermistor）控制温度变化。IPM内部的绝缘基板上设有温度检测元件，检测绝缘基板温度(IGBT,FRD芯片异常发热后的保护动作时间比较慢)，对于芯片的异常发热能高速实现过热保护。

(5)3个滤波电容器（RC），RC1-RC3分别对3个HVIC电源输入端进行滤波处理。

2 IPM故障测试及失效定位

IPM模块内部元器件众多，相互关联相互影响，而分离各个元器件需要首先对芯片进行去模封处理，处理的过程可能产生新的影响。因此，通过测试方法尽快准确定位失效区域是很重要的。对此，本文提出了一个完整的故障测试流程，如图2所示，能够针对IPM模块的各个组件进行测量，在尽可能小的损坏芯片的情况下快速定位故障位置。

2.1 绝缘性测试

绝缘性测试又称高压测试。测试的基本原理是将一规定交流或直流高压施加在电器带电部分和不带电部分（绝缘外壳）之间以检查芯片绝缘材料所能承受耐压能力[2]。

实验室采用耐压测试仪进行绝缘性测试。如图3所示，将所有管脚短接接测试仪负极，芯片背部铜基板接电源正极，根据产品数据手册，测试电压必须在5s内逐渐地上升到所要求的试验电压值（例如3kV等），保证电压值稳定加在被测绝缘体上不少于5s，此时所测回路的漏电流值与标准规定的泄漏电流阈值相比较，就可以判断被测产品的绝缘性能是否符合标准.

绝缘测试失效时，失效区域主要在封装介质上。主要失效模式包括：

1） 介质内空洞（图4a）。导致空洞产生的主要因素为环氧树脂内的有机或无机污染、封装过程操作不当等。空洞的产生极易导致漏电，进而导致器件内局部发热，降低介质的绝缘性能从而导致漏电增加[3]。

2）机械应力裂纹（图4b）：在应用过程中,较大的应力可能造成芯片的应力裂纹，导致耐压降低。如图4所示，顶针压力设置过大，造成DBC, Direct Bonding Copper陶瓷附铜基板产生应力裂纹，最终产生绝缘测试失效。应用过程中的人员的不当操作，机器故障；元件接插操作等都可能产生芯片的外力损伤[3]。

图4 绝缘测试故障失效模式

2.2 热阻测试

热阻是表征IPM电路散热性的重要参数，由于IPM往往内置多个功率器件，因此对于散热的要求非常高。如果电路的热阻不佳，将导致功率器件产生的热量无法及时散发，使IPM内部的电路处于高温的工作状态，这将IPM的使用寿命和性能都受到影响。IPM模块内置1个负温度系数热敏电阻(NTC)控制温度变化。如果基板的温度超过设定阈值，IPM内部的保护电路关断门极驱动信号，不响应控制输入信号，直到温度降下来到另一设定阈值以下，IGBT方可恢复工作。

实际测量NTC热敏电阻的方法与与测量普通固定电阻的方法相同。简单快速的验证方法是将IPM模块T1,T2管脚连接数字万用表，对IPM进行加热，如果其阻值不变化或者电阻无穷大，则说明已损坏。

如果需要精确测量NTC热敏电阻，则需要对IPM模块进行去模封处理，将NTC热敏电阻裸露出来，先在室温下测得电阻值RT1；再用加热台作热源对热敏电阻进行极加热，测出电阻值RT2，同时使用红外测温仪测出此时热敏电阻NTC表面的平均温度。实验室采用数字万用表测量热敏电阻在不同温度下的电阻值，利用收集到的数据，在Matlab中[4]可绘制NTC热敏电阻的R-T曲线，如图5所示。并利用最小二乘法确定热敏指数B[5]。

其主要的失效机理有：NTC焊接不良（图6a），外力损伤产生应力裂纹（图6b），电极有效面积减少，非平衡态的转变过程，晶粒表面态的变化，过电应力等[6]

图6 热阻测试故障失效模式

2.3 连续性测试

连续性测试是通过在待测管脚施加正向偏置，测量待测管脚二极管的自然压降，以此确定连接性的方法。这项测试能够有效的对IPM各个管脚之间的电路进行检测。

实验室采用I/V 曲线追踪仪确定管脚间电路是否有异常。因为IPM内部各通道相互独立（通道U,V,W），因此可以逐步对各通道施加激励进行检测。管脚间测试实际上就是测试芯片内部ESD保护电路。ESD保护电路一般设计在焊盘（Bond Pad）附近[7]，保护电路的差异也会影响IV曲线的测试结果，因此需要与正常品进行对比。如图7所示，正常标准品测试曲线如曲线1，失效品测试曲线如曲线2，存在一定漏电流。因此，可以通过连续性测试方法将失效区域定位在管脚间的连接电路。

图7 连续性测试IV曲线示意图

连续性失效存在于测试脚之间的电路。当管脚间连接线断开或者键合失效，出现开路失效（图8）；当测试脚之间存在金属丝残留，或者内部电路金属层融化，则出现短路失效；当内部二极管存在工艺缺陷或者被外界干扰所损伤时，也可能造成短路及漏电流失效[8]。

2.4 超快恢复二极管特性测试

超快恢复二极管是一种具有开关特性好，反向恢复时间极短的半导体二极管，能够给IGBT作续流、吸收、箝位、隔离、输出和输入整流器，使开关器件的功能得到充分发挥。反向导通电压是指IPM内置功率开关器件(IGBT)处于关闭状态时，当从FRD流过一定的电流后，FRD两级之间的电压差。

超快恢复二极管特性测试方法及正常品测试曲线如图9所示。因为直接对二极管施加偏压不会影响到IPM其他电路，因此在不需要施加VCC偏压的条件下就能完成对二极管性能的检测。

超快速二极管失效固有失效主要表现在晶圆设计工艺结构缺陷、焊接工艺问题,导致晶圆焊接时产生高温铜迁移,抗机械应力水平下降。在实际应用中又因为器件引脚跨距设计不合理导致器件受机械应力影响加深失效程度,最终出现过电击穿失效（图10）。

2.5 IPM模块功能测试

IPM模块实现正常工作的参数主要包括集电极-发射极电压VCES，集电极-发射极电流ICES，集电极-发射极饱和电压VCESAT和集电极峰值电流ICM。

2.5.1高压漏电流测试

高压漏电流（IDSS）的测试也包括两部分，即IPM内置功率开关器件处于关闭状态下的CE漏电流测试和IPM内置HVIC的高压端（VS）漏电流测试。基本测试电路如图11所示,对相应通道的HVIC提供激励使得IGBT 处于关闭状态（电源输入端输入供电电压，Vboot高压悬浮接口输入电压高于供电电压，将HIN高电平信号输入端接地与LIN低电平信号输入端输入接地，T1MOS管关断），在集电极-发射极施加电压，增加VCE到规定值，所测得的IC即为ICES。曲线1为正常品高电压漏电，曲线2为失效品测试结果，相对于正常品漏电流增大，同时击穿电压降低。

2.5.2通态饱和压降测试

IGBT通态饱和压降VCEsat是指在门极电压驱动下，IGBT工作于饱和区，IGBT集电极(C)与发射极极（E）之间的电压差。饱和压降是衡量IGBT是否过流的重要指标。

基本测试电路如图12所示,对相应通道的HVIC提供激励使得IGBT 处于饱和状态（电源输入端输入供电电压，Vboot高压悬浮接口输入电压高于供电电压，将HIN高电平信号输入端接地，LIN低电平信号输入端输入逻辑‘1’，T1MOS管达到饱和状态），在集电极-发射极施加规定电压，达到饱和值时，电流急剧增大。

在门极驱动电压存在的情况下，发生IGBT过流，VCE会急剧上升，一般当VCE大于饱和压降10us左右，IGBT就会损坏。

针对IPM模块功能参数测试需要驱动HVIC提供开关信号至G极，因此，当测试结果出现异常时，需要根据具体的失效来判断具体的失效位置在HVIC还是IGBT区域。例如，击穿电压降低，漏电流增大，但是曲线符合高压漏电测试曲线趋势时，可以将失效位置定位在IGBT上。如果IGBT没有被正常开启，则故障位置很可能在HVIC上。

2.6 分离元器件功能测试

当IPM模块功能测试结果不足以判断失效位置，或者IGBT确认失效而无法确认是否为HVIC故障导致的IGBT失效时，需要将IGBT与HVIC分离，进行进一步的测量。

实验室采用去模封处理，将HVIC输出端与IGBT绑线进行切割的方法实现分离，然后使用探针台对分离后的元器件分别进行搭线，完成测试过程。

2.6.1 IGBT参数测试

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。IGBT器件的芯片结构和等效电路[9]如图13所示。

图13 IGBT芯片结构和等效电路图

IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP(原来为NPN)晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。IGBT的栅极(G)为多晶硅材料，与N基区中间间隔一层SiO2绝缘层。作为绝缘层的SiO2层非常薄，十分容易受损，因此，对IGBT的安全可靠与否进行评估的重要参数就是IGSS漏极短路时截止栅电流,IDGO源极开路时，截止栅电流。

实验室采用曲线追踪仪AC模式，按图14完成IGBT参数测量。

图14 IGBT参数测试

IGBT模块失效原因主要有：过温，过流(图15)，过压，动态雪崩击穿，热电载流子倍增，表面问题、金属化问题、压焊丝键合问题、芯片键合问题、封装问题、体内缺陷等[10]。

2.6.2 HVIC参数测试

连续性测试能够对HVIC的输入端做基本的检测，但是HVIC输出端与IGBT相连，因此，在对IGBT进行功能检测时需要首先将HVIC从IPM模块中进行分离。所以，针对HVIC芯片进行测试。驱动IC应用电路如图所示。对驱动IC进行功能验证时，需要借助外围电路对IC驱动能力进行验证。驱动输出波形如图16所示。正常品HVG,LVG输出波形满足真值表；失效品输出波形异常，LVG输出正常，HVG无输出。

图16 HVIC应用测试及输出

由EOS和ESD造成的IC失效占现场失效器件总数的50%左右[11]。HVIC主要的失效来源于过电应力。过电应力是指芯片在使用过程中电源端所加的应力超过器件所规定的最大应力。在过电应力的作用下，在器件局部形成热点，热点温度达到材料熔点时，会形成开路或短路失效，破坏电路结构（图17）。

3 结论

本文详细叙述了针对IPM故障的测试定位方法，列出了不同内部组件的测试方法及可能的失效机理。借助外围电路，通过失效品与正常品的IV曲线，输出波形的对比，逐步定位具体的故障范围。分析结果表明，不同的失效模式选择不同的失效验证方法，为快速故障区域定位提供依据，

参考文献

[1]  迟恒.IGBT和IPM发展趋势及原理介绍[J].通讯世界,2016（12）：211-211

[2]  王贵虎.浅谈耐压测试[J].电子质量,2011（3）；60-61

[3]  文斌.谈谈电气装置绝缘失效的原因及预防措施[J].机械与电子,2006（7）：34-34

[4]  苏金明，王永利.Matlab7.0实用指南[M].北京：电子工业出版社，2004..

[5]  孙庆龙.NTC热敏电阻温度特性研究[J].大学物理实验,2013（4）：16-17

[6]  梁俊文，王恩光.MF-11型NTC热敏电阻失效机理分析[J].华中理工大学学报,1993（2）：5-9

[7]  曹燕杰，王勇，朱琪，等.IC设计中的ESD保护技术探讨[J].电子与封装，2012，12(12) ：24-30

[8]  龚瑜.电源管理IC失效模式验证及定位方法[J]半导体技术，2018（5）：405-406

[9]  Wintrich A, Nicolai U, Tursky W, et al. Application Manual Power Semiconductors[S]. ISLE-Verlag,2011.

[10]  马晋，王富珍，王彩琳.IGBT失效机理与特征分析[J]电力电子技术，2014,48（3）：71-73

[11]  AMERASEKERA E A, Najm F N. Failure Mechanisms In Semiconductor Device[M].USA : John Wiley&Sons1998.