烧结铜固晶材料的可靠性评估

最近有很多客户询问如何通过功率循环测试对材料的性能进行考察。下面以一个案例为例，介绍如何将功率循环测试与仿真技术结合在一起对材料的性能，特别是新型材料的性能做出一个准确的评估。

一、创新的铜基烧结固晶材料的特性和优势：

近来科学研究发现，创新的铜基烧结固晶材料作为应用于汽车行业的电动汽车和混合动力电动汽车(EV/HEV)中的功率模块的固晶材料上有着很大的优势，它们具有出色热性能和粘合性能。

金属烧结固晶材料为功率器件提供了巨大的好处。目前市场上有各种由银和铜制成的固晶材料的产品，它们具有高散热率和支持高耐热性。表-1比较了各种固晶材料的物理性能。

表1：各种固晶材料的物理性能的对比

铜的价格大约是银的价格的1/3。而且经过研究发现，放置在含有约90%wt%铜的溶剂中时，可以制造出具有良好微观结构特性的有用的成本效益高的粘性材料。图1为铜烧结材料。

图1：铜烧结材料

二、评估的过程：

1、评估的工具：

为了评估新型铜烧结固晶材料的热寿命性能，采用西门子Simcenter POWERTESTER和西门子Simcenter FloTHERM作为评估的工具。

选择西门子Simcenter POWERTESTER作为评估工具，是因为设备可以在对被测器件进行各种功率循环的情况下，测试新型铜烧结固晶材料的性能，以达到其完全损坏。西门子Simcenter POWERTESTER功率循环测试设备基于西门子Simcenter T3Ster的技术，并具有“结构函数”曲线功能。设备通过对被测器件进行瞬态热测试获得的“结构函数”曲线，揭示被测器件本身包括到环境部分的散热路径组成部分的性能。图2为西门子Simcenter POWERTESTER功率循环测试设备。

图2：西门子Simecenter POWERTESER

新型铜烧结固晶材料可以承受200°C的相对高温，并具有良好的机械性能，例如：弹性、弯曲强度、弯曲应变和0.2%的屈服强度。材料本身还具有良好的抗剪切力。

在评估中，期望通过功率循环测试，可以证明铜烧结固晶材料用作SiC功率半导体器件的固晶材料的长期可靠性，包括功率循环寿命和失效机理。

2、评估的载体：

选择了使用铝线绑定工艺的TO-247封装形式的SiC肖特基势垒二极管作为被测器件。图3为被测器件及散热路径的示意图。

图3：铝线绑定工艺的TO-247封装形式的SiC肖特基势垒二极管

在评估中，被测器件分别使用了铜烧结固晶材料和传统的铅焊料作为对比。图4为新型铜烧结固晶材料和传统铅焊料在测试中所采用的的芯片粘结工艺方法。

图4：不同固晶材料在测试中的芯片粘结工艺方法

3、功率循环参数设置：

遵循JEDEC组织JESD51-1测试标准，被测器件的结温的最高值Tjmax由事先对被测器件进行温度特性调查的结果即通过被测器件的温度敏感参数测量和校准后，计算推导得出。被测器件的测试电流为10mA。在功率循环测试中，被测器件结温的变化范围为20-120°C。

在功率循环测试中，Ton设置为3秒，Toff设置为7秒。被测器件进行了超过40,000次的功率循环测试。

4、功率循环测试的结果：

对于使用新型铜烧结固晶材料的被测器件，由于铜烧结固晶材料的热导率高，为了获得与使用铅焊料的被测器件相同的结温变化范围，因此施加了比使用铅焊料的被测器件高6至9W的加热功率。

在功率循环测试中，可以观察到使用新型铜烧结固晶材料的被测器件结温的最高值达到了175°C。图5为使用新型铜烧结固晶材料和铅焊料的被测器件在功率循环中的结温最高值Tjmax的对比。

图5：使用新型铜烧结固晶材料和铅焊料的被测器件在功率循环中的结温最高值Tjmax的对比

在功率循环测试中，可以观察到由于铝焊线的剥落而导致被测器件在施加加热电流的情况下，电压值的上升。为了保证施加到采用新型铜烧结固晶材料的被测器件的功率为150W，施加到采用铅焊料的被测器件的功率为96W，在功率循环测试中，采用了恒定功率的功率循环模式。

通过图5使用新型铜烧结固晶材料和铅焊料的被测器件在功率循环中的结温最高值Tjmax的对比，可知采用新型铜烧结固晶材料的被测器件具有更长的功率循环测试寿命，即使在施加更大加热功率的情况下也是如此。

通过温度循环测试，检查了被测器件的塑封树脂是否从引线框架上剥落。和市场上商用的两款产品进行了对比，结果表现优异。

经过功率循环测试，确认了使用新型铜烧结固晶材料和铅焊料的被测器件的塑封树脂和引线框架同样具有良好的粘结性。

图6：通过温度循环和功率循环测试确认被测器件的塑封树脂和引线框架的粘结性

5、仿真分析：

西门子Simcenter POWERTESTER的一大优势是具有“结构函数”曲线功能，可以清晰地将被测器件的结到环境的散热路径，以图形化的方式表现出来。“结构函数”曲线能够以非破坏性方式评估被测器件的散热结构，以了解热问题的根源和范围，以及造成的损害。

特别是通过“结构函数”曲线的“微分结构函数”曲线，可以评估被测器件散热路径上各种材料热导率的变化，并将其作为在西门子Simcenter FloTHERM中建模的输入参数。