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

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。

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。

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。

“微分结构函数”曲线为积分结构函数曲线求导的结果。“微分结构函数”曲线的Y轴为：

因此“微分结构函数”曲线可以得到沿散热路径的散热横截面面积的信息。可以将西门子Simcenter POWERTESTER通过瞬态热测试获得的“结构函数”曲线，输入到西门子Simcenter FloTHERM中，帮助对被测器件的模型进行修正。

在瞬态热测试中，加热电流为30A，加热时间为30秒。被测器件芯片的发热区域为3.8× 3.8 × 0.004mm3。图7为被测器件的FloTHERM模型。

图7：被测器件的FloTHERM模型

为了更好的识别具有不同热导率的固晶材料在热阻上所带来的变化，在FloTHERM中，可以将固晶材料的热导率从小到大的进行设置。然后在FloTHERM中进行瞬态仿真，获得被测器件在使用具有不同热导率的固晶材料的情况下，不同的瞬态结温变化曲线，并转换为相应的“结构函数”曲线。

从“结构函数”曲线可知，约为0.03K/W的热阻处为固晶材料的热阻的起始点，即芯片和固晶材料的界面处。图8显示了经过瞬态仿真获得的“结构函数”曲线。该图也显示了固晶材料的热导率从小到大发生变化后，热阻值的差异。从这个比较中，可以了解固晶材料部分的热阻在“结构函数”曲线中从哪里开始。

对于用于评估的两个被测器件样品，一个使用了铜烧结固晶材料，一个使用了铅焊料。在功率循环测试前后，采用了详细的SAM和SEM测量作为失效分析的辅助手段。并通过“结构函数”曲线结合FloTHERM仿真分析，推导出使用新型铜烧结固晶材料的被测器件的芯片粘结层出现了分层;而采用铅焊料的被测器件的芯片粘结层则发生了严重的破坏。

图9：采用新型铜烧结固晶材料的被测器件的“结构函数”的变化

图10：采用铅焊料的被测器件的“结构函数”的变化

三、结论：

一种创新的铜烧结固晶材料通过功率循环测试可以验证其应用于EV/HEV的功率半导器件的长期可靠性。经过评估可以证明，即使在施加更大功率的情况下，烧结铜固晶材料也表现出比铅焊料更出色的功率循环寿命。

在评估中，使用西门子Simcenter POWERTESTER和西门子Simcenter FloTHERM可以更准确地了解新型铜烧结固晶材料的性能。特别是，在评估中，可以观察到材料失效的根本原因，例如芯片粘结层损坏或芯片粘结层分层，从而寻求提高其性能的方法。