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    Power Tester

    功率循環及熱測試平臺

     

    一、產品概述

    Power Tester首次同時集成了自動功率循環、熱測試以及結構函數分析功能,客戶只需要一個平臺就能夠在線器件進行熱測試及可靠性研究。

    Power Tester在功率循環過程中實時監控電流(包括柵極電流)、電壓以及結溫等參數,并定期執行熱瞬態測試,利用結構函數分析循環過程中封裝結構的改變和缺陷等。

    Power Tester可以用于幫助客戶加強以及加速封裝結構研發、可靠性測試以及可靠性篩選等工作。

    Power Tester可以幫助用戶設計更加可靠的電子封裝產品。Power Tester提供的特性化測試數據,可以直接導出給熱仿真軟件FloTHERM,利用實測結果來實現模型自動校準功能,幫助用戶得到精確的,符合實際的仿真模型。

    Power Tester可以幫助用戶獲得功率電子器件在真實應用條件下的使用壽命。

     

    二、產品信息

        

           Power Tester 1500A/1800A/3600A                        Power Tester 600A                                                             

     

     

    1、 功率輸出模塊

     

    PWT 1500A 3C

    PWT 1500A 12C

    PWT 1800A 12C

    PWT 3600A 12C

    PWT 600A 16C

    加熱電流

    500A * 3

    500A *3

    600A *3

    1200A *3

    600A

    溝道壓降

    8V

    8V

    12V

    6V

    48V

    柵極電壓

    -10V~20V

    -10V~20V

    -10V~20V

    -10V~20V

    -30V~30V

    最大功率

    12KW

    12KW

    21KW

    21KW

    28.8KW

    最多可同時測試器件數

    3

    12

    12

    12

    16

                                               PWT 1500 功率輸出模塊示例

     

    2、測試模塊

    熱瞬態測試通道 柵極電流I(g,off)監測通道

    內置T3Ster技術,瞬態采樣率最快1s,

    可在功率循環期間定期生成結構函數

    測試范圍:250 pA.. 100A

     

    溫度探測器

    1、每塊液冷板的出水口和中心位置各有一個pt100探測器

    2、額外預置了三個溫度傳感器接口,可利用其測試任意位置的溫度。用戶需自行提供傳感器,支持負溫度系數傳感器或熱電偶。


     

    4、冷板

    1)左板

          用于K-系數測試

          需要外部的溫控循環設備(推薦Julabo)

    2)右板

          用于功率循環

          需要外部的冷水機或者循環水

          電氣閥(自動控制流量開/關)

          可配置冷卻液流量 (手動)

    3)樣品固定夾具

          每塊冷板上配備有可移動的導軌,導軌上有壓緊桿。

           可以將器件固定在冷板上任意位置.

    4)液體泄漏保護

           內嵌液體探測器,配備泄漏排水管

     5)通過T型閥門,用戶可以使用自己的液冷板

    6)PWT 600A不包含液冷板,用戶可以使用自己的液冷板

       

     

    5、安全設計

    1)一體化實驗箱設計

    2)透明的Lexan保護罩方便目測,防止測試期間受外界干擾

    3)自動探測保護罩是否打開大電流僅在保護罩關閉的情況下才允許開起防止被高溫金屬燙

    4)煙霧探測器 系統將會緊急停止一旦探測到煙霧

    5)液體泄漏探測器 系統將會緊急停止一旦探測到液體泄漏

    6)系統狀態燈塔

    7)緊急停止按鈕

     

     

    6、計算機配置

    1)內嵌控制PC高可靠性工控機& 自帶操作系統保證長時間工作的穩定性

    2)觸摸屏操作不需要鼠標或鍵盤

    3)為PC專門提供UPS,保證緊急斷電或其他情況下的數據安全

     

    三、測試模式

    1、熱瞬態測試:用于測試待測器件的結溫,熱阻,并進行結構函數分析 

    – 遵循JEDEC JESD 51-1 靜態測試法 

    – 遵循IEC 60747的測試方法 

    – 利用結構函數分析散熱路徑的熱傳導結構 

    – 支持利用JEDEC JESD 51-14標準定義的瞬態熱界面法測試結殼熱阻RthJC

     

    1)k系數測試

     

     

     

     

    2)熱測試

    – 通入工作功率,使結溫在特定的散熱環境下升高達到飽和。

    – 將工作功率快速切換到進行k系數測試時的測試電流。

    – 在結溫下降過程中,實時采集pn結電壓,再通過K系數得到結點的降溫曲線,采樣間隔最快為1us。

     

    3)結構函數分析——描述器件熱傳導路徑的模型

     

     

    Ø 結構函數上越靠近y軸的地方代表著實際熱流傳導路徑上接近芯片有源區的結構,而越遠離y軸的地方代表著熱流傳導路徑上離有源區較遠的結構。

    Ø 積分結構函數是熱容—熱阻函數,曲線上平坦的區域代表器件內部熱阻大、熱容小的結構,陡峭的區域代表器件內部熱阻小、熱容大的結構。

    Ø 在結構函數的末端,其值趨向于一條垂直的漸近線,此時代表熱流傳導到了空氣層,由于空氣的體積無窮大,因此熱容也就無窮大。從原點到這條漸近線之間的x值就是結區到空氣環境的熱阻,也就是穩態情況下的熱阻Rja 。

     

    2、 全新測試模式:同時進行功率循環和熱測試模式

    – 利用功率循環對待測器件施加老化應力

    – 根據器件達到失效的循環數預估其壽命

    – 功率循環期間定期進行熱瞬態測試,并監控系統參數 (VCE 和IGate )

    – 功率循環期間,任何與老化降級相關的熱效應都可以在不移動待測器件的情況下通過結構函數在線監測

    – 系統會根據用戶提前設定的條件增加熱瞬態測試的頻率

     

    1)功率循環模式

    在功率循環過程中,提供各種不同的功率模式,包括:

    – 恒定電流

    – 恒定殼溫的變化ΔTC

    – 恒定結溫的變化ΔTJ

    – 恒定功率的變化ΔP

     

    2)、功率循環功能

    – 功率循環期間,記錄的數據包括:

    電學參數:UCE ,柵極電流I(g,off), ΔP等

    熱學參數 :ΔTJ , Tjmax, Tjmin,, ΔTJ / ΔP,Rth以及結構函數等

    電學參數記錄

    熱學參數記錄

    功率循環信息記錄

     

     

    四、測試流程

    1、創建器件并定義器件參數

    (1)定義器件種類并選擇測試方法。系統會根據用戶的選擇自動切換不同的接線方式

    創建器件

    (2)、設置k系數測試參數

              用戶可設置測試電流,柵壓,溫度范圍以及溫度穩定判據

             

    器件定標參數設置

    2、 熱測試

    設置熱測試的參數,用戶可自定義測試時間,也可以使用自動熱穩態判定。

             

    3、 功率循環測試

    (1) 設置功率參數,包括熱測試加熱電流,功率循環電流等

    功率參數設置

    (2) 設置測試參數

    設置熱測試間隔時間,柵極電流測試間隔時間等。

           

    測試參數設置

    用戶可提前預設電壓,結溫,電流等參數,當該指標達到一定條件后,可以自動更改熱測試間隔。

    自動測試間隔設置

     

    (3) 設置功率循環參數

    選擇功率循環模式,設置on和off的時間以及最大功率循環數等參數

    設置功率循環參數

    (4) 設置失效判據

    用戶可通過絕對值或者百分比的方式設置器件失效的判據,當器件參數達到失效判據,功率循環將停止。

    設置失效判據

    (5)設置液冷板的水流量

    設置水流量

     

    五、技術亮點

    1、先進的測試理念:同一個測試平臺可以同時進行功率循環和熱測試,任何與老化降級相關的熱效應都可以在不移動待測器件的情況下通過結構函數在線監測,與傳統的老練設備相比更加節省時間,能獲得完整的實效數據。

    2、先進的測試技術:使用世界領先的熱測試設備T3Ster的熱瞬態測試技術及結構函數分析方法。

    3、測試范圍廣:測試包括功率MOSFET,功率IGBT以及功率二極管等電力電子設備。

    4、簡單易用的觸摸屏界面:功率循環測試期間能夠記錄包括電流、電壓、結溫、結構函數以及結構改變等信息在內的參數。

    5、多種功率循環模式:測試平臺包含了恒定時間Ton和Toff,恒定電流,恒定殼溫變化ΔTC,恒定結溫變化ΔTJ以及恒定功率變化ΔP等模式。

    6、實時結構函數診斷:方便用戶快速地獲得循環過程中的缺陷,對應的循環數以及失效原因等。

    7、無需功率循環后的實驗室檢測及破壞性失效分析:無需再使用傳統的x射線、超聲波或者其他的破壞性方法來進行失效分析。

    8、測試操作簡便:用戶只需根據提示將器件對應管腳連接到設備,無需了解器件的具體接線方式。

     

     

     

    測試案例

     

    1、電動汽車用IGBT壽命預估

    (1)壽命預估流程

     

    (2)測試壽命曲線中的數據點并估算壽命

    n 阿倫尼斯模型:      

    n 擴展的阿倫尼斯模型

    —   (used by: Fuji Electric) 富士電機使用

    — (used by: Infineon)英飛凌使用

    — Lifetime estimation

    壽命估算

         

     

     

     

     

     

     

     

    2、利用結構函數檢查功率循環對器件封裝結構的影響

    實驗人員針對四組不同的IGBT模組,施加相同的功率循環模式,設定了相同的失效判據,進行了長時間的功率循環測試。

    目視檢測:

    經過功率循環后,芯片表面會出現金線斷裂,燒焦等現象。

    基本上所有的IGBT失效都是由于過熱以及柵極氧化層的損壞。

    結構函數檢查:

    通過結構函數分析,可以清晰地顯示出粘結層熱阻隨著功率循環數目增加的變化。

     

    4、 不同功率循環手段對器件壽命的影響

    (1)試驗參數:

    器件安放在溫控液冷板上

    液冷板溫度: 25 ℃

    各種功率循環模式*(包括恒定電流,恒定功率變化ΔP以及恒定結溫變化ΔTJ

    每隔250次循環周期后,執行一次熱瞬態測試

    (2)、利用結構函數識別die attach層老化情況

    在恒定電流模式下,待測器件的封裝結構隨著功率循環次數的增加并未出現明顯變化

    在恒定結溫改變的模式下,待測器件的die attach質量在功率循環值25000次后,開始出現老化現象。

    (3)、結溫不同對壽命的影響

    在同樣是恒定ΔTj的情況下,當ΔTj=120℃時,其達到失效的循環次數為36000次,當ΔTj=110℃時,其達到失效的循環次數為58000次。

     

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