熱流儀助力堪培拉大學IGBT老化研究取得成果

ATS-545：熱沖擊測試設備

全量程240攝氏度的溫控調整；

溫度變化率高達288°C / 分鐘！

IEEE Transactions on Device and Materials Reliability (Volume: 20, Issue: 4, December 2020) DOI 10.1109/TDMR.2020.3025895 艱深科研工作背后的巨大助力——ThermoStream™，

inTEST集團ThermoStream™品牌的熱沖擊測試集成環境（ATS-545-M）助力本文作者You-Cheol Jang 教授深挖了穿孔IGBT在高溫下柵極偏置應力引起的退化現象。

ATS-545的貢獻 :

1. IGBT 功率半導體的可靠性測試涉及使用ATS-545-M型熱沖擊測試集成環境在 零下40 °C至零上200 °C 之間對IGBT樣本施加溫度循環應力。

2. Cycling IGBT樣本需要在實驗過程中經受4000個溫度循環，每個循環持續100秒。

3. 熱沖擊測試集成環境（ATS-545，by inTEST Thermal Solutions Inc.）用于實施溫度循環測試。它的總變溫時間要在僅僅短短100秒內完成全量程240攝氏度的溫控調整，溫度變化率高達288°C / 分鐘！

• a) 使用功率器件分析儀/曲線追蹤儀測量IGBT的電氣特性，每1000個周期進行一次加速溫度循環測試。

• b) 此外，每15分鐘進行一次高溫（150°C）和高壓直流場（48V）測試，共60分鐘。

• c) 經過應力測試，在沒有高溫和電場應力的情況下，在24小時后測量了IGBT的恢復特性。

• d) 使用掃描聲學顯微鏡（SAM）觀察IGBT中鈍化層和金屬層的分層。

• e) SAM圖像顯示晶圓芯片鍵合和環氧模塑料（EMC）處分層，以及引線鍵合區域下方的空隙。

• f) 分層和空隙歸因于IGBT組件中使用的材料之間的熱應力和CTE不匹配。

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在功率半導體IGBT性能的評價指標中，伴隨環境溫度沖擊而來的老化特性是非常重要的一個環節。

言歸正傳，You-Cheol Jang 教授發表了激動人心的IGBT加速老化（degradation, 涉及到功率半導體的使用壽命）實驗——Accelerated Degradation of IGBTs due to High Gate Voltage at Various Temperature Environments(DOI 10.1109/TDMR.2020.3025895)

在本文中做了大量的理論-干實驗計算-濕實驗驗證的嚴謹科研工作。總結如下幾點：

在高溫下施加溫度循環應力和偏置應力的過程對于研究IGBT退化非常重要。

- 對-40°C至200°C之間的IGBT施加溫度循環應力，以加速使用寬溫度范圍的降解過程。這有助于理解IGBT在不同溫度條件下發生的降解現象。

- IGBT中鈍化層和金屬層的分層可以使用掃描聲學顯微鏡觀察到。這有助于識別IGBT中由于溫度應力而發生的物理變化和故障。

- 對IGBT施加高溫下具有高柵極電壓的偏置應力，以研究閾值電壓不穩定性和柵氧化層電荷捕獲的影響。這有助于了解IGBT開關特性和性能的變化。

- 還研究了IGBT在應力后的恢復。結果表明，在高直流場和高溫下受壓的IGBT在沒有反向電壓的情況下，24小時后恢復過程較慢。這些信息對于理解IGBT在實際條件下的恢復機制非常重要。

- 通過進行各種溫度應力和高電場應力測試，可以識別IGBT的退化過程和故障癥狀。這為IGBT在不同工作條件下的可靠性和性能提供了寶貴的見解。

         ATS-545-M 在IGBT熱沖擊循環測試中的裝置擺放示意圖

           生動解釋了IGBT在強直流場和高溫度場下應力測試的變化

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