一种功率半导体器件的可靠性测试方法及系统与流程

本发明涉及电力电子技术领域，具体地说，涉及一种功率半导体器件的可靠性测试方法及系统。

背景技术：

功率半导体器件(比如igbt模块)作为新型变流器的核心器件，已广泛应用于机车牵引、重型驱动、输/配电和可再生能源发电(风力发电和转换等)等领域。

这些应用大多都会受到恶劣环境条件的影响，特别是湿度。功率半导体器件的质量和可靠性都是至关重要，这是因为这些设备常常应用于那些暴露在外的或关键的场合。此外，功率半导体器件在应用中扮演关键的角色。目前一般都是采用经典的thb测试方法来测试功率半导体器件在湿度环境下的可靠性。然而，实际应用证明，在更为恶劣的应用环境条件下(比如热带地区)，现有的thb标准测试并不适用。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种功率半导体器件的可靠性测试方法，所述方法包括：

步骤一、将待测试功率半导体器件所处环境的温度调整为预设测试温度、相对湿度设置调整为预设相对湿度，向所述待测试功率半导体器件施加第一预设偏置电压并持续第一预设时长，其中，所述预设相对湿度的取值范围为[90％，97％]，所述第一预设偏置电压的取值范围包括阻断电压的40％至70％；

步骤二、使所述待测试功率半导体器件恢复至常温静态测试环境，并在恢复完成后向所述待测试功率半导体器件施加第二预设偏置电压并持续第二预设时长，测量所述待测试功率半导体器件的漏电流，得到第一漏电流，根据所述第一漏电流确定所述待测试功率半导体器件的故障状态。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤一前，所述方法还执行以下步骤：

在常温静态测试环境下，向所述待测试功率半导体器件施加第二预设偏置电压并持续第二预设时长，测量所述待测试功率半导体器件的漏电流，得到第二漏电流；

根据所述第二漏电流判断所述待测试功率半导体器件的故障状态，当所述待测试功率半导体器件无故障时执行所述步骤一。

根据本发明的一个实施例，所述第二预设时长的取值区间为[2.5min，4min]。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤二中，向所述待测试功率半导体器件的集电极与发射极施加所述第二预设偏置电压，所述第二预设偏置电压为阻断电压的75％至85％。

根据本发明的一个实施例，判断所述第一漏电流的波形是否超过所述参考漏电流的波形范围，如果是，则判定所述待测试功率半导体器件存在故障。

本发明还提供了一种功率半导体器件的测试系统，其特征在于，所述测试系统采用如上任一项所述的方法来进行可靠性测试。

根据本发明的一个实施例，所述测试系统包括：

上电装置，其与待测试功率半导体器件连接，用于向所述待测试功率半导体器件施加偏置电压；

试验箱，所述待测试功率半导体器件设置在试验箱内，所述试验箱用于调整所述待测试功率半导体器件所处环境的温度和相对湿度；

控制装置，其与所述上电装置和试验箱连接，用于控制所述上电装置和试验箱的运行状态；

数据检测分析装置，其与所述待测试功率半导体器件连接，用于检测所述功率半导体器件的漏电流，并根据检测得到的漏电流确定所述待测试功率半导体器件的可靠性状态。

根据本发明的一个实施例，所述控制装置配置为控制所述试验箱在第一测试阶段和第三测试阶段不运行，并在第二测试阶段将所述待测试功率半导体器件的所处环境的温度调整为预设测试温度、相对湿度设置调整为预设相对湿度，其中，所述预设相对湿度的取值范围为[90％，97％]。

根据本发明的一个实施例，所述控制装置配置为控制所述上电装置在所述第一测试阶段和第三测试阶段向所述待测试功率半导体器件施加第二预设偏置电压并持续第二预设时长，在所述第二测试阶段向所述待测试功率半导体器件施加第一预设偏置电压并持续第一预设时长，其中，第一预设偏置电压的电压值小于第二预设电压的电压值。

根据本发明的一个实施例，所述数据检测分析装置配置为判断在所述第三测试阶段检测得到的第一漏电流的波形是否超过所述参考漏电流的波形范围，如果是，则判定所述待测试功率半导体器件存在故障。

本发明提供了一个全新的功率半导体器件的可靠性测试方法以及系统，以充分量化器件在高湿度环境下长期运用的可靠性。本发明基于除了湿度和温度会加速功率半导体的老化外，电压也是一个重要的加速因素，更重要的是电压反映了实际应用条件。因此本发明所提供的方法对于igbt模块在高湿度下运用可靠性的最关键的应力测试是通过增加集电极-发射极电压进行的，同时需要提高测试时的相对湿度，以符合实际条件，并且通过规定初始检测和最终检测的持续时间，提高试验结果的准确度，从而使产品能够更好地满足现场运用需求，保证高可靠运用。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的功率半导体器件的测试系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的功率半导体器件的测试方法的实现流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

通常对于高可靠等级的设备，必须保证半导体器件的失效率在100fit(1fit＝1x10⁹/小时)以下。要实现这样的可靠性，除了要提高半导体器件本身的可靠性外，在设备设计中，使用条件也是相当重要的。实际应用中，使用上的不同会导致那些即使通过相同制造工艺生产的模块在实际工作中失效率相差10倍甚至更多。

发明人通过对igbt模块等功率半导体器件的工作原理以及工作过程进行分析发现，在实际应用过程中igbt模块等功率半导体器件容易受到恶劣环境(特别是湿度)的影响。

具体来说，大多数情况下变流器柜不能保证包括igbt模块在内的功率半导体器件免受环境因素的影响，变流器柜内的igbt模块仍会受到湿度的影响，特别是在高湿度环境的应用场合。

同时，变流器不会一直运行在满载条件下，也可能会空闲下来或在部分负载下运行，这意味着此时温度上升或下降相对较快。正因为如此，当变流器停止运行时间较长且没有较高的温度来蒸发模块中的水分时，空气中的水分会渗透进入igbt模块中。另一方面，在工作过程中温度下降可能会出现凝露。

这些不希望出现的工作条件以及湿度变化可能对半导体器件会产生负面影响，从而导致芯片端接区域的局部应力增加，降低器件阻断能力。

目前一般都是采用经典的thb测试方法来验证igbt模块的耐湿性。其中，thb测试条件为：试验温度85℃，相对湿度85％，偏置电压80v，试验时间1000小时。测试标准是测量漏电流，以测试之前测量的漏电流为参考。如果试验过程中或试验后，漏电流产生的变化超出设定的范围，那么测试不通过。

thb测试中由于采用了湿度、温度及电压相结合的方式，这样也就促进了整个测试过程中电荷或离子的运动，从而能够检测出由于igbt模块工艺变化或设计空间不足而引起的性能不稳定的问题。

对于这项标准测试，工程界已经积累了数年的经验。然而，发明人通过研究发现，对于大功率半导体器件来说，测试中所施加的80v偏置电压比其在变流器实际应用中的电压低很多。并且实际应用证明，现有的thb标准测试并不适用于评估长期工作在高湿环境下的器件可靠性。

为此，本发明提供了一种新的功率半导体器件的可靠性测试方法，该方法能够有效评估长期工作在高温高湿环境下的高压igbt模块的可靠性。可靠性测试方法改进的前提是充分量化器件在恶劣环境中的应用条件。发明人通过研究发现，除了湿度和温度会加速功率半导体的老化外，电压也是一个重要的加速因素，更重要的是电压与实际应用条件紧密相关。对于芯片端接及其钝化材料最关键的应力测试是通过增加偏置电压至阻断电压的40％至70％，同时为量化高湿度的应用环境，使芯片表面呈现高湿度，相比thb测试需要有足够的湿度，当高湿度条件和高电压并存时，就会加速测试过程的电化学机制，从而达到测试目的。

本发明所提供的功率半导体器件的可靠性测试方法以及应用该方法对功率半导体器件进行可靠性测试的测试系统便是基于上述分析结论来评估检验半导体器件(例如igbt模块)长期工作在高湿度环境下的可靠性，从而为设计者选择合适的器件提供参考，有助于降低功率半导体器件在全生命周期内的维护成本，同时提高变流器等电气设备的运用可靠性。

图1示出了本实施例所提供的功率半导体器件的测试系统的结构示意图，图2示出了本实施例所提供的功率半导体器件的可靠性测试方法的实现流程示意图，以下结合图1和图2来对本实施例所提供的功率半导体器件的测试系统以及测试方法的原理、实现过程以及优点作进一步的说明。

如图1所示，本实施例所提供的功率半导体器件的测试系统优选地包括：上电装置101、试验箱102、控制装置103以及数据检测分析装置104。其中，上电装置101与待测试功率半导体器件100连接，其用于在控制装置103的控制下向待测试功率半导体器件100施加偏置电压。

在测试过程中，待测试功率半导体器件100设置在试验箱102中。而试验箱102则能够在控制装置103的控制下调整腔体内的温度和湿度，这样也就实现了对待测试功率半导体器件所处环境的温度和相对湿度。

需要指出的是，在本发明的不同实施例中，待测试功率半导体器件100可以是诸如igbt模块等功率半导体器件，但也可以是其他合理功率半导体器件，本发明并不对待测试功率半导体器件100的具体类型进行限定。

数据检测分析装置104则与待测试功率半导体器件100电连接，其能够检测功率半导体器件100的漏电流，并根据所检测得到的漏电流来确定待测试功率半导体器件100的故障状态。

具体地，如图2所示，为了避免由于待测试半导体器件100在测试前本身已存在故障而对最终的测试结果产生影响，本实施例中，可选地，在第一测试阶段，控制装置103优选地会控制试验箱102处于非工作状态，这样也就使得待测试功率半导体器件100所处的环境为常温静态测试环境。在该常温静态测试环境中，环境温度为室温，环境相对湿度则为标准大气压条件下的相对湿度。

在常温静态测试环境下，控制装置103将会在步骤s201中控制上电装置101向待测试功率半导体器件100施加第二预设偏置电压并持续第二预设时长。在此过程中，数据检测分析装置104则会测量待测试功率半导体器件100的漏电流，从而得到第二漏电流。

本实施例中，数据检测分析装置104在得到上述第二漏电流后，会在步骤s202中判断上述第二漏电流的波形是否超过预设参考漏电流的波形范围。其中，如果上述第二漏电流的波形超过了预设参考漏电流的波形范围，那么数据检测分析装置104也就可以判定此时待测试功率半导体器件100存在故障，即待测试功率半导体器件100在进行可靠性测试前已经存在故障，显然也就不需要对该待测试功率半导体器件100进行可靠性测试。

而如果上述第二漏电流的波形没有超过预设参考漏电流的波形范围，那么数据检测分析装置104也就可以判定此时待测试功率半导体器件100不存在故障，此时才能够正常地实施对待测试功率半导体器件100的可靠性测试。

本实施例中，上述预设参考漏电流的波形范围有效地为±100％标称值。当然，在本发明的其他实施例中，上述预设参考漏电流的波形范围还可以配置为其他合理范围，本发明不限于此。

本实施例中，控制装置103将会控制上电装置101向待测试功率半导体器件100集电极与发射极施加所述第二预设偏置电压。其中，上述第二预设偏置电压优选地为阻断电压的80％，而上述第二预设时长优选地配置为3分钟。

当然，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，上述第二预设偏置电压和/或第二预设时长还可以配置为其他合理值，本发明不限于此。例如，在本发明的一个实施例中，上述第二预设偏置电压还可以在阻断电压的75％至85％进行合理取值，上述第二预设时长的取值则可以在[2.5min，4min]区间内进行合理取值。

当在第一测试阶段确定出待测试功率半导体器件100不存在故障时，在第二测试阶段，如图2所示，控制装置103会在步骤s203中控制试验箱102将其自身腔体内的温度调整为预设测试温度、相对湿度调整为预设相对湿度，这样也就使得待测试功率半导体器件100所处环境的温度为预设测试温度、相对湿度设置为预设相对湿度。

本实施例中，上述预设相对湿度优选地为95％，上述预设温度优选地为85摄氏度。当然，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，上述预设相对湿度和/或预设温度还可以配置为其他合理值，本发明不限于此。例如，在本发明的其他实施例中，上述预设相对湿度也可以在[90％，97％]进行取值，上述预设温度也可以是按照thb测试标准所配置的合理值。

当完成对待测试功率导体器件100所处环境的温度和相对湿度的调整后，如图2所示，本实施例中，控制装置103将会在步骤s204中控制上电装置101向待测试功率半导体器件100施加第一预设偏置电压并持续第一预设时长。

具体地，本实施例中，上述第一预设偏置电压优选地配置为阻断电压的50％，上述第一预设时长优选地配置为1000小时。当然，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，上述第一预设偏置电压和/或第一预设时长还可以根据实际需要配置为其他合理值，本发明不限于此。例如，在本发明的一个实施例中，上述第一预设偏置电压还可以在阻断电压的40％至70％范围内进行合理取值(例如65％等)，上述第一预设时长则可以配置为按照thb测试标准所配置的合理值。

当测试时长达到上述第一预设时长后，第二测试阶段即结束。此时，在第三测试阶段，控制装置103将会在步骤s205中控制试验箱102停止工作，这样也就使得待测试功率半导体器件100所处的环境能够恢复至常温静态测试环境。

随后，在常温静态测试环境下，控制装置103将会在步骤s206中控制上电装置101向待测试功率半导体器件100施加第二预设偏置电压并持续第二预设时长。在此过程中，数据检测分析装置104则会测量待测试功率半导体器件100的漏电流，从而得到第一漏电流。在步骤s207中，数据检测分析装置104会根据上述第一漏电流来确定待测试功率半导体器件100的故障状态，进而实现对待测试功率半导体器件100的可靠性测试。

如果根据第一漏电流确定待测试功率半导体器件100不存在故障，那么待测试功率半导体器件100也就通过了该可靠性测试项目；而如果根据第一漏电流确定待测试功率半导体器件100存在故障，那么待测试功率半导体器件100也就没有通过该可靠性测试项目。

本实施例中，上述步骤s206以及步骤s207的实现原理以及实现过程与上述步骤s201和步骤s202所公开的内容相同，故在此不再对上述步骤s206以及步骤s207的具体内容进行赘述。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，上述控制装置103和数据检测分析装置104还可以集成在同一设备中，本发明不限于此。

从上述描述中可以看出，本发明提供了一个全新的功率半导体器件的可靠性测试方法以及系统，以充分量化器件在高湿度环境下长期运用的可靠性。本发明基于除了湿度和温度会加速功率半导体的老化外，电压也是一个重要的加速因素，更重要的是电压反映了实际应用条件。因此本发明所提供的方法对于igbt模块在高湿度下运用可靠性的最关键的应力测试是通过增加集电极-发射极电压进行的，同时需要提高测试时的相对湿度，以符合实际条件，并且通过规定初始检测和最终检测的持续时间，提高试验结果的准确度，从而使产品能够更好地满足现场运用需求，保证高可靠运用。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。