在可預見的將來，功率電子組件的使用將持續不斷的增加。任何需要電力變換、轉換或控制等功能都需使用各種形式的功率電子組件。如圖1所示，功率電子組件廣泛應用于各種不同的行業。紅色圓圈所代表的是需要使用功率模塊的行業，如汽車業（電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車等其他輪式汽車）、可再生能源業（光伏逆變器、風力發電機、太陽能電站、衛星太陽能面板）、鐵路設施（引擎組件、牽引控制系統）、以及高端馬達驅動器。這些功率電子組件一般由多種IGBT（絕緣柵雙極晶體管）或功率MOSFET（金屬氧化物半導體場效晶體管）組成。

圖1 功率電子組件的應用。紅色圓圈表示需使用大功率模塊的行業。在大功率電子行業中，電動汽車、混合動力汽車及其充電站對功率電子組件的需求都有顯著增長。

可靠性挑戰

對于使用IGBT或功率MOSFET的用戶而言，可靠性是他們關注的首要議題。在這些行業中，產品的高可靠性和長使用壽命尤其重要。用戶期望電動車在連續15至20年內不出現任何重大維修問題，而鐵路產業則需持續使用至少30年或更久。對于時常派遣維修人員對離岸風力發電機進行維修顯然是不可行的，衛星太陽面板甚至需永久性的使用。熱失效是高可靠性無法實現的主要原因。功率循環會使IGBT芯片端產生的熱通過模塊并散發到周圍環境中，其產生的應力及熱會破壞模塊。焊線可能因疲勞老化的原因而脫落或斷裂，甚至進一步惡化導致完全失效。模塊的封裝內部層次，特別是芯片焊接處會因熱-結構應力的作用下而脫層并破裂。在完全失效前，這些模塊本可承受上萬、甚至數以百萬的功率循環次數。

那么，我們如何保證這些模塊在其應用領域中能持續使用多年并且耐受成千上萬次功率循環呢？這不僅僅是功率電子模塊供貨商的責任，也是相關產業供貨商都必須克服的難題，無論是初期零組件供貨商，抑或是最終產品的代工廠（O E M）都責無旁貸。若所生產的功率模塊太早出現損壞的情況，則O E M廠應該為此負擔保固、產品召回和聲譽受損等損失。

功率模塊的可靠性測試并不是一項新的挑戰，但傳統的模塊測試過程非常漫長且具有不準確性和不確定性（圖3）。一般可靠性的測試會將IGBT模塊安裝于設備上并提供規定的安培數進行功率循環的測試。組件在經過多次功率循環測試（500次、1000次、5000次等）之后，用戶須將模塊從設備上取下送往實驗室進行檢驗，確認是否有故障。若沒有故障則繼續重復該循環測試直至模塊最終失效為止。此時模塊將被再次送往實驗室進行檢查，借由X光探傷、超聲波檢測、光學檢測或破壞性的解剖方式來確定故障的原因。重復的功率循環測試和實驗室檢驗非常耗時且無法在測試過程中實時觀察到失效的產生，只能在最后確定組件是否失效。而若因多種不同原因所引起的失效則可能無法確定其確切的原因。

圖3 傳統的IGBT模塊可靠性測試方法耗時、準確性低，無法在測試過程中實時觀察到失效的產生，只能確定最后產品是否失效

新的可靠性測試方法

我們需要一種更有效、快速確定失效原因的測試方式。此方法要能在功率循環測試時量測模塊中的電/熱效應，并實時發現失效原因而不是依賴事后的診斷。為了滿足以上的需求，唯有將功率循環和測試整合于同一設備中才能實現，使用戶無須將模塊從功率循環測試設備上取出送往實驗室進行失效分析。Men tor Graphic s新推出的MicReD Industrial Power Tester 1500A就能提供這樣的測試環境。圖4是功率測試設備進行功率循環和實時測試/診斷的示意圖。該測試設備利用MicRed T3Ster瞬時熱特性技術對組件進行量測（如芯片封裝、LED和系統）。主要特征有：

1） 采用觸控屏幕來控制、定義模塊的特性和測試順序及方法。無論是專家、產品工程師或技術人員都能簡單的學習和使用。軟件能存儲相關的參數供重復使用，能用來測試多個在線的樣本或產品質量可靠性。

2） 1500A的電源可同時提供三個不同的模塊進行測試，每個模塊可單獨使用的電流高達500A.電源切換的時間僅需不到100μs,這也是T3Ster設備在高準確性瞬時熱特性測試中所要求的速度。

3） 循環測試時，用戶可自行定義時間間隔來測試、記錄模塊的正向電壓變化，其最大采樣率高達到每秒100萬個樣本。這些數據都將顯示在觸控屏幕上并直接產生出“結構函數”。

4） 使用結構函數可實時分析模塊各層結構，并發現任何因失效所可能產生的變化（芯片或黏接層脫離、破裂等）。這些信息都能協助確定失效產生的確切時間和原因。

5） 安全功能控制盒會監測任何潛在的危險因素，例如：煙、冷卻板液體泄漏、設備過熱等。一旦偵測到這些因素，測試設備將馬上關閉所有的電源。但為了保存測試數據，不間斷電源（UPS）仍將繼續為計算機供電，直至所有數據得到安全保存。

結構函數的精密分析

結構函數的數學運算相當復雜，但值得花時間來了解這相關的技術。圖5是一個典型的模塊封裝內部層次及其對應的結構函數示意圖。在功率循環測試時，高功率（最大1500A）會輸入至組件來進行加熱，待穩態后則迅速關閉。依照JESD51-14標準，精細的（微伏）結正向電壓變化會被量測記錄下來，同時借由復雜的數學演算來建立出結構函數。

功率晶體管結所產生的熱會經過各堆棧層，最終擴散到周圍環境中，而結構函數顯示出模塊封裝內部層次的等效模型，同時也表示熱傳導路徑上的熱阻和熱容特性。沿著圖中的藍色曲線可了解結點到周圍環境中的整體熱傳路徑，橫軸部分代表模塊封裝內部層次的熱阻（如芯片焊點、基板焊點及導熱膏），其結構較薄，無法儲存太多熱量，但熱

阻較大。相反地，曲線中相對垂直的部分則代表有較大熱容的堆棧層（儲熱能力較高，同時也會產生一些熱阻），如基板。

結構函數會記錄組件在功率循環測試過程中的實時變化，當我們發現結構函數出現變化時，如圖6中所出現的較長的熱阻部分，這表示模塊封裝內部層次中某一層（這里指的是基板焊錫層）發生變化。典型的熱阻顯著增加可能是因為封裝內部層次脫層或破裂的關系，因為空氣的熱傳導能力明顯低于變化前固體的熱傳導能力。

圖7是個實際的例子。該測試中，每5000次的功率循環測試都會得到一次結構函數。從測試開始到第15 000次功率循環測試后，綠色線所呈現的線形基本上不變，表明組件無任何失效或故障。在第20 000次功率循環測試后（橙色線），我們看到曲線有細微的偏差，這說明某層結構的熱阻開始升高。在之后的25 000、30 000和35 000次功率循環后，線形顯示某層結構出現顯著劣化，最后導致組件失效。借由結合功率循環與實時監控結構函數的方式，我們可以觀察到失效的產生并確定失效的原因，無須將組件從測試設備上取出便能對測試結果進行分析診斷。

圖7 組件在功率循環測試35000次后明顯失效

結合功率循環/量測系統的優點

與“傳統”測試方法相比，此測試系統具有明顯的優勢。傳統方法需要反復循環測試、拆卸組件、實驗室驗證等過程，非常耗時且無法確定故障原因。采用結合系統和結構函數的技術，用戶可設置測試順序并自動執行指令，將一開始正常的組件進行測試，直至產品失效，并能實時觀察組件失效或故障的原因。此外，此設備可提供較大的電流，供應多個組件同時測試，從而提高處理能力，滿足產品樣本或質量測試的需求。

此測試設備可廣泛應用于供應鏈中的各廠商。例如，功率電子模塊供貨商在模塊的設計時間可使用該測試設備。設計完成后的樣本生產過程中，同樣可使用功率測試設備來測試樣本的可靠性指標；若無法通過測試，則可對產品設計進行修改。此外，測試設備還能用來產生產品數據表上的可靠度規格，在生產過程的產品抽驗也能使用此設備。初期零組件供貨商可使用功率測試設備來驗證功率電子供貨商所提供的可靠度規格，對原始設計進行測試。最后，高可靠度產品的制造商可借此設備來進行最終的合格性測試，以保證公司產品的高質量。