专家约稿一文了解功率循环测试设备和技术的发展

  功率循环测试作为考核功率器件封装可靠性和评估长期寿命最重要的测试，一直倍受行业的关注，尤其是近几年在新能源汽车应用的大力推动下国内由于前期在功率器件方面布局较晚，一直在器件的应用上发力，忽略了功率器件封装及可靠性，尤其是功率循环的测试等。本文从功率循环测试设备和技术两个方面剖析了发展历史、行业动向和市场需求，旨在指出未来的重点发展趋势，为推动该行业

  (Power Cycling, PC)作为功率器件所有可靠性测试中最重要的测试之一，主要评估器件长期工作条件下封装的可靠性，是进行器件寿命建模和剩余寿命评估的关键。我国在电力电子技术、尤其是应用方面己经世界领先，但在功率器件的材料、芯片、封装、工艺、设备和可靠性等方面还存在不小的差距。这几年在新能源汽车应用的驱动下，我国在上述各个行业进行了全面布局，己取得不菲的成绩，但在后端的封测，尤其是测试设备等方面还需要得到长期的市场反馈、迭代和沉淀。

  1所示，通过大电流IL加热器件至最大结温Tjmax后，切断电流降温到最小结温Tjmin，以此反复循环达到模拟器件实际在做的工作时电流产生的热应力，测量电流IM用来进行结温的测量。一般功率器件表现为三类典型的失效，如图2所示，键合线失效(约占70%)对结温的波动很敏感、焊料失效受到同一温度影响，对最大结温很敏感和表面金属化重构也是由于大的结温以及温度梯度导致的。功率循环导致器件失效的最终的原因是封装材料间CTE的不匹配，激励源则是结温的波动，所以功率循环老化过程中，结温波动越大，测试时间越短。

  有国标GB/T 29332、国际电力电子协会IEC60747-9、美国军用MIL_STD_750和电动汽车AECQ101或AQG324等标准，电动汽车模块标准AQG324精确指出ton5ston15s为分钟级，考核的是远离芯片的连接的可靠性。因此，对功率循环测试设备提出了一定的要求：1）要求测试电流足够大以满足测试结温的要求，如AQG324标准规定必须0.85*ICN(模块额定电流)；2）负载电流的开通和关断时间可调节，以分别满足上述秒级和分钟级的测试要求，尤其是秒级功率循环；3）水冷系统的设计也很重要，需要能将产生的热量以最快速度带走，使得器件快速降温。

  2020年前后，市场上具备相应产品的主要包括华电(烟台)功率半导体技术研究院有限公司、合肥科威尔技术股份有限公司、山东阅芯电子科技有限公司、浙江杭可仪器有限公司、杭州高坤电子科技有限公司、杭州高裕电子科技有限公司、杭州中安电子科技有限公司、天津海瑞电子科技有限公司、中洲测控（深圳）有限公司、西安精华伟业电气科技有限公司、西安易恩电气科技有限公司、西安美泰电气科技有限公司、北京博电新力电气股份有限公司、山东鲁欧智造高端装备科技有限公司和国外产品Mentor的代理商（深圳贝思科尔软件技术有限公司、上海坤道信息技术有限公司、上海智湖信息技术有限公司等）。近期还有大量新兴公司在功率循环测试设备上投入了研发资源（这里不再罗列），完成/正在研发功率循环测试设备，说明国内半导体测试设备的兴起，这对于推动行业发展非常重要。

  上述公司从技术路线和发展历史可大致分为5个大的派系：1）华电半导体为华北电力大学功率器件可靠性研究团队在烟台政府支持下产业化的一个公司，技术前身为与德国开姆尼茨工业大学Josef Lutz合作的成果转化，是长期科研成果的落地；2）科威尔和阅芯等公司则是新兴的半导体设备公司，技术路线类似华电半导体，多条测试支路切换模式，在技术参数和部分功能上则是参考Mentor；3）浙江杭可为代表的老牌可靠性设备研发企业，杭州高坤、高裕、中安和天津海瑞等均是原来杭可分离出来的技术，在分立器件的间歇寿命(Intermittent life, IOL)方面很有建树，IOL设备长期可靠性也得到了市场的验证，近期推出大功率器件的功率循环测试设备；4）西安各公司和北京博电等派系，设备外形仍然采用原来IOL设备外形，主要在大功率器件的可靠性方面做测试设备的开发，尤其是北京博电开发的3000A就是为国网定制的；5）以Mentor技术或代理商为代表的，如山东鲁欧智造，技术路线与Mentor的设备类似，如4个500A电源并联以达到2000A最大测试能力，与Mentor的3个500A电源并联获得1500A测试能力异曲同工。

  北京博电和西安精华伟业外，其他公司的产品多少都受到国外设备Mentor的影响，在外形或者技术参数上有一定重叠和对标，尤其是在测试夹具上面，几乎均采用Mentor可移动的方式，一般也覆盖2000A及以下的等级，如下图3所示。值得注意的是，这些公司的产品除主机外，还需要额外配置相应温度校准的油机或者流量计以及水冷系统，占地面积一般要大于2个主机大小，需求方在场地规划时应该将此因素考虑在内。进一步地，通过此方案的设备的水温一般严格受限于冰水机，温度的调节范围一般在5˚C~35˚C，很难达到175˚C结温模块的考核，需要对散热器进行特定的设计和匹配；而温度校准则一般通过油温控制，达到200 ˚C左右。下面将针对几个典型的公司和产品进行一些基本介绍和功能的概述。

  2019年华北电力大学功率器件可靠性团队(国家级人才黄永章教授领衔)在烟台开发区资助下的产业化落地，该团队从2013年开始与国网全球能源互联网研究院合作开发国产高压大功率压接型IGBT器件，进行功率器件封装的理论分析、仿真计算、实验测量等方面研究。2016年与国际半导体，尤其是可靠性领域大咖，德国开姆尼茨工业大学Josef Lutz进行功率循环测试技术、测试方法和测试服务的深入合作，双方互派研究生，2017年在北京搭建了当时国内首个3000A功率循环测试设备，可满足12个压接型IGBT和焊接式IGBT模块的测试，每个器件均有独立的流量调节功能，填补了国内空白。2018年1月开发了750A电动汽车用SiC功率模块功率循环测试设备，2019年后相继开发了100A, 250A, 500A, 1000A, 1500A, 2000A和6000A功率循环测试设备，标配为6个测试通道，可升级为12个通道，如下图4所示。6000A功率循环测试设备是目前世界上电流和功率最大的设备，专门为4500V5000A压接型IGBT器件或IGCT的可靠性评估定制开发。值得注意的是，该公司的功率循环测试设备内部集成了独立的水冷系统和温度校准功能，可实现15˚C~90˚C的温度控制，很好的满足175˚C新能源汽车用模块的测试需求。换句话说，此设备展示的主机大小即为占地大小，需求方只需要提供一个电气和水的接口即可使用。

  设备的技术源头是2003年德国开姆尼茨工业大学Josef Lutz教授和德国Infineon长期合作、技术更新、迭代和可靠性验证过的成果，后与华北电力大学可靠性团队合作开发落地了此设备。华北电力大学（6位博士+13位硕士）和德国开姆尼茨工业大学（11位博士）两个团队长期从事功率循环测试技术、测试方法和测试设备的研究，测试设备技术迭代与科研水平相互成就。进一步地，两个团队长期与国内外半导体头部（如德国Infineon、日本Toshiba中国中车、华为等）企业和应用方（国家电网、中国铁科院、蔚来汽车等）深入合作，深刻全面把握前沿需求，基于设备为客户提供专业的测试服务。因此，此功率循环测试设备在设备的长期运行可靠性、功能的全面性、技术的先进性、迭代的快速性和界面的舒适性和友好性方面具有独特的优势，下图5所2000A标配设备的主要技术参数，采集频率为50kHz，负载电流关断后的测量延时客户可根据示意器的采样窗口参照具体情况来设置，一般经验为50µs~500µs不等。

  2022年7月，华电半导体与深圳市泰斯特尔系统科技有限公司签订了独家代理协议，通过泰斯特尔进行市场推广和商务对接。泰斯特尔是一家专注于高端可靠性与失效分析实验室仪器研发，代理和销售的企业，己经在行业里深耕多年，为客户提供了系列解决方案。

  面提及了合肥科威尔、山东阅芯和西安其他家设备公司均是新兴的半导体设备公司，技术参数和功能也基本上对标国外Mentor设备，这里以科威尔为例进行介绍。合肥科威尔是一家以电源技术为核心的上市公司，2018年开始布局功率半导体测试设备，成立半导体事业部，结合电源的技术沉淀开发了功率器件静态、动态测试设备。2021年推出了MX300C热特性测试系统，由采样单元、温控单元、电源单元以及控制单元等组成如图6所示。标配产品有MX300C-1500-F0，和Mentor的1800A设备类似，由3台600A直流电源并联构成，并联后可输出1800A电流，设备部分参数如下图7所示。从技术参数可知，功率循环测试过程中的采样频率采用了10kHz，暂时没有推出瞬态热阻抗测试功能。

  和天津海瑞等老牌可靠性设备供应商均是原来做分立器件的IOL测试设备的，一直是小功率器件（100a包括西安精华伟业和深圳中洲测控等。此类设备测试通道多、每个通道的工位也相对较多，尤其是TO器件，甚至可达到1280个工位。技术路线和高温反偏设备类似，一个电源负责一个通道，一个板卡，同一通道则是多个工位串联，采用巡检的方式进行参数测量，可节省成本，技术路设备的外形基本上如下图8所示，全部采用风冷散热。

  可能由于商业保密，可搜索到公开的技术资料有限，很难评估其技术路线、性能和特定的功能等。可以初步判断的是目标是对标国外Mentor设备，但在技术路线、测量精度、采样频率、电源精度等方面暂时没有展示，但这些厂商在设备方面是很有经验的。这里以中安的功率循环设备技术参数为例如下图9，外观图如上图3(c)。

  Mentor Graphic，美国Analysistech，意大利Alpitronic，德国Schuster Electronics，日本Hitachi，日本Espec和英国Dynex等。其中美国Mentor和Analysistech是基于自家热阻测量仪发展起来的；意大利Alpitronic长期与电动汽车OEM企业合作；德国Schuster为德国Infineon提供了功率循环测试设备，但在国内几乎没有市场；日本Hitachi和Espec则是近几年才开始做的功率循环；英国Dynex的功率循环则主要是供内部测试用，包括大功率的压接型IGBT器件的测试设备，后续以Mentor Graphic和Alpitronic为例进行举例说明。美国Analysistech于1983年成立，一直从事电子器件的热阻测试，开发的热阻测试仪Phase11很早就进入了中国市场，最近升级为Phase12，如图10所示。功率循环测试仪就是基于Phase12为测量系统，增加了相应的夹具和电源做成了，从图1的原理图也可以，热阻测试就是单次功率循环，此设备同样采用螺丝夹具的固定方式。日本的两家也并没有过多的详细资料，目前在国内外畅销的还是美国的Mentor设备，这里就不再展开。

  推出的功率循环测试设备前身或者测量的核心是1997年MicReD推出的瞬态热阻抗测试仪T3Ster，如下图11所示，其最核心的技术就是匈牙利大学教授提出的结构函数来获得器件内部各层材料的热阻和热容。2016年又被西门子以45亿美元收购，2021年1月正式更名为Siemens EDA，因此市场上有上述三种叫法，均是指的这个设备，本文就以Mentor为名进行阐述。Mentor推出的第一款产品是1500A的功率循环测试设备，由株洲中车时代半导体提出的具体需求，Mentor基于T3Ster瞬态热阻测试仪进行改造得到的，由3台500A电源并联构成，可同时进行3个器件500A以下的测试，也可将3个电源并联形成1500A的输出，如下图12所示。T3Ster主要是针对分立器件或电子元器件进行瞬态热测试，电压和电流等级一般非常低，测量延时小，需要的测量精度高，所以采用1MHz的采样频率，即1µs测一个数据点，当时的硬件实现是比较先进的。但现在对于功率器件而言（一般大于600V），测量延时大于50µs，再用1MHz的精度去功率循环数据采集无实质意义，一般建议50kHz即可，甚至20kHz，既能满足测量精度的要求（20µs/点），又不浪费硬件成本和数据处理成本。

  Mentor在此基础上相继开发了不同电流等级的功率循环测试设备，其核心仍然是T3Ster和结构函数，只是在测量通道上作了一些调整，可以升级到12个通道。值得注意的是，此设备的通道数和最大的输出电流并不能同时存在，通道数多，输出电流就小，输出电流大，就基本上只有一个通道可用。由于Mentor进入中国的市场非常早，而且2020年前几乎没有竞争对手，使得其自动形成了行业标杆，也是国产设备商模仿和对标的对象。国内的代理商也非常多，协助Mentor大力开拓市场，比如深圳的贝思科尔软件技术有限公司，2011年开始为国内高科技电子及半导体等行业提供先进的电子/结构设计、仿真分析与设计数据信息化的解决方案，后代理此设备。随着国内市场的爆发以及全球缺芯的难题，进口产品的交货周期成为最大的难题，同时，售后服务也远远跟不上销售的速度，给国产设备预留了发展的空间。

  Alpitronic自2010年开始一直为电动汽车厂商和功率模块做功率循环测试平台，遵循LV324或/和AQG324的技术要求，也被各器件厂商所采购，如下图13所示，该公司2017年还研发了电动汽车的超级充电站（Hypercharger, HPC）。从设备的外形来看，就是典型的欧洲设备风，利用型材搭建，具备非常大和宽敞的工作站以便于模块的安装。同时，和其他所有设备一样，还额外配置了冰水机和换热器以冷却功率模块器件，换热器的加入可使得此设备能将冷却温度控制在25˚C~120˚C，实现功率器件的温度校准。但如果需要更高温的校准温度，尤其是模块为非线性关系，需要捕捉全温度范围内的数据，需要额外的设备进行温度校准。该测试设备采用2条测试支路切换的方式，可同时实现12个器件的测试，值得注意的是，此设备是除华电半导体外唯一一家提及测量延时的公司，这也说明欧洲公司的严谨性。上述其他公司均没有提及设备测量延时的选择以及范围。意大利Alpitronic公司能提供4种不同类型的功率循环设备，重点聚焦在新能源汽车模块，所以测试电流最大为1200A，而在测试效率上有一定提升，最大可进行12只模块测试，参数如下图14所示。对于功率循环和热阻测试，此设备的采样频率为20kHz，而程序上数据刷新和显示的频率为20Hz。

  技术沉淀、市场反馈、迭代更新等，是最需要时间来磨炼的，提升产品质量和长期可靠性是根本。现有市场主导产品还是Mentor为主，但我们也看到了越来越多国产设备的兴起，这对于推动行业发展非常有利，也是值得庆幸的。从所有设备功能来看，一般需要标配的功能有：

  ）温度校准功能，这是进行热阻和功率循环测试结温测量的关键，也是决定测量准确性的一步，主要也有三类：a）华电半导体的电磁炉加热的创新方式，并己申请了专利，通过涡流加热并热传导使得温度更加均匀；b）以Mentor为代表的油冷方式，通过额外的油机和水冷板进行高温校准；c）以中安为代表的传统方式，恒温箱，对于大功率模块，恒温箱体积非常巨大，对温度一致性要求非常高，需要额外配置；

  ）热阻测试或瞬态热阻抗测试，原来IOL设备一般不需要在线测量热阻，将其作为静态参数的一种，在老化前后来测试来表征老化，而功率器件则要求热阻的在线监测，瞬态热阻抗测试则是来表征和定位老化位置。传统的设备商一般将热阻测试作为单独的设备，并没有集成到功率循环中，而现有的功率循环设备基本上均集成了热阻测试功能，甚至是瞬态热阻抗功能，像华电半导体和Mentor等均能实现在线瞬态热阻抗的测试，如图15所示。有必要注意一下的是，国产设备为了赶超进口设备，在对标时或投标时，会将结构函数作为一个亮点和基本功能点，但目前真正能实现或者客户能用此功能的厂商极其少，还需要继续努力。

  ）功率循环测试，这是设备的核心，通道数和测试工位取决于技术路线和电源的能力，现在基本上都往多通道、高精度的方向去发展，当然采样频率也是关键之一。测量的参数和测量延时也是影响功率循环测试结果的关键，目前公开资料里只有华电半导体和意大利Alpitronic提及了并给定了相应窗口。上述设备归类中，最多通道数一般为12个，最少为1个，如Mentor的1500A设备，输出电流小于500A则为3个通道，而输出电流大于500A为1个通道，可通过每个通道串联4个的方式来升级，但费用不低；华电半导体的2000A设备由于技术路线个通道可同时满足每个通道2000A的能力，也可升级为12个通道。其他家的设备一般为8个通道，采用2条支路的并联实现，下面将对上述三种不同技术路线条支路并联）

  个通道，则可实现标配6通道/高配12通道，如下图16所示，己在2017年和2018年相继申请了国家发明专利。这种技术路线的优势在相关论文里提及了，这里做一个复述：1）提高可靠性，可靠性测试设备，自身可靠性是第一位的，通过支路间的电流切换可以使得电流一直输出高电流，虽然结温高，但没有结温波动，可以让电源内部的功率器件得到有效的保护；2）效率提升了3倍，利用其他支路降温时间给本支路加热，有效提升了效率，同时可有效保证所有通道的电流均为直流电流的最大输出值；3）设备的加热时间可以做到很低，尤其是秒级功率循环，2倍于加热时间ton的降温时间toff可有效将热量带走，这对于秒级功率循环非常重要，可达到0.2s的开通，这是目前商业设备能实现的最小时间；4）灵活多变，客户可根据要求进行随意组合，如果需要ton=toff，则只需要接入2条支路即可实现，每条支路串联3个也能满足6个测试的需求，功能的灵活性对于高校、科研单位以及器件失效分析要求高的单位至关重要；5）严格满足AQG324标准，新能源汽车模块或一般应用均是3相全桥，由6个开关组成，需要对6个开关进行考核，这种支路方式完全满足3相全桥的拓扑。图16 华电半导体的3条支路的技术路线意大利Alpitronic（

  市场上绝大部分产品均是采用2条支路并联，通过2条支路对拖的方式来实现，与上图1

  6所示3条支路的本质没有区别，只是在测试支路和功能上没有上述灵活。因此，这种方式在测试器件的数量上和可靠性上也存在一定的优势，如下图17所示，通过这种方式，一般设备均可实现8个或12个通道，这取决于负载电流的电压输出能力。(a) 意大利Alpitronic(b) 山东阅芯图17 2条支路的技术路线，数据均来源于官网或宣传材料

  个独立）Mentor则是通过每个电源独立为每个通道供电，如下图18所示，这也是很多设备商所采用的控制策略，如中安、高坤等，当需要大电流时，将多个电流源进行并联输出。但这种技术路线有一个问题就是很难保证电源的长期可靠性，因为电源内部也是功率器件，在输出电流时也在做“

  功率循环”，这种技术路线唯一的好处就是可以保证小电流输出时的精度，往往大电流源在输出小电流时的精度会有一定的折扣。有必要注意一下的是，图18展示的电路图是将GC短路，这种模式又称为阈值电压模式，强制将饱和压降抬高到阈值电压附近，可减小测试电流，但容易造成栅极失效，也与实际工况不符合，使用时需要考虑。图18 Mentor设备的技术路线，数据均来源于官网或宣传材料4、总结和展望

  可知，技术的发展需要一些时间的积累和技术沉淀，国产设备在这方面起步晚，还属于模仿、学习阶段，并没有完全消化、吸收，需要沉下心潜心研发，在市场反馈和技术迭代的过程中前进。

  不同家的设备由于技术沉淀、定位和能力不一样，客户应该结合自身的切实需求去选择最适合自己的产品。

  对于功率器件，尤其是车规级器件，其可靠性要求更高，对功率循环测试技术的先进性、测试设备的稳定性和测试方法的灵活性要求更高。下面结合笔者前期工作基础和

  理解，列出功率循环测试设备或/和技术应该重点关注的技术和功能，同时也包括了未来功率循环应该重点突破的技术和方向。1）高可靠性。功率循环测试设备自身可靠性是第一位的，技术参数能满足只是体现设备能力的小方面，更多的体现在设备的长期稳定性和可靠性。功率循环测试设备与其他设备如动静态设备不一样，需要长期稳定持续输出电流，涉及到多学科交叉和设计，尤其是水冷系统的协同设计和长期可靠；

  2）高灵活性。更全面和灵活的功能，功率循环测试是涉及到模块封装可靠性评估和提升、寿命模型建立的关键环节，需要灵活的实验设计或方案以满足不同封装和应用的测试需求。不同的封装形式，如

  TO封装、Easypack封装、EconoDual封装、塑封模块、平Pin Fin型模块、双面散热模块等，需要先进的夹具以满足测试需求；3）高准确性。现有的测试设备大多数都是通过12

  位ADC数据采集，在测量精度上能达到0.1mV级甚至更小，但对于未来SiCMOSFET，尤其是导通电阻越来越小，键合线老化导致的变化也将越来越小，对测量精度的要求也将慢慢的升高；4）高鲁棒性。功率器件结温的测量一般用

  PN结压降来获得，对于Si基一般约为-2mV/˚C，这就使得测量系统若受到干扰出现振荡，如6mV的振幅，则会出现约3˚C的测量误差。这就要求测量系统有很强的抗干扰的能力，一方面尽可能提高测量系统的稳定性，另一方面最大限度的降低外界噪音的干扰；5）更智能化。实现设备的自我状态监测和保护，数据的可视化以及开放性是未来的发展趋势，一方面要求设备能长期可靠运行，能实现自我状态监测和报告，无人值守等智能化，另一方面要求开放更多的窗口和数据，如测量延时，让客户可根据实际的需求进行调整以达到准确的测量；

  6）新的表征参数。现有标准中规定通过正向压降判定键合线老化、热阻判定焊料老化，但这对于纳米银烧结的双面散热模块和压接型IGBT

  器件并不适用，因为不存在键合线和焊料，常规参数的状态监测己不能发挥作用；7）新的测试方法和标准。现有功率模块，尤其是SiC

  器件，导通电阻越来越小，热阻越来越小，使得在相同电流下结温波动越来越小，而模块的可靠性慢慢的升高，这使得很难通过常规功率循环测试达到加速老化的效果，测试时间和研发周期大幅度提升。亟需开发新的测试方法和热阻评估方法的研究，在不额外增加电流的前提下提高测试效率，加速研发进程。主要参考文献[1]MIL-STD-883G, United States Department ofDefenseTest Method Standard: Microcircuits, Method 1012.1 Thermal Characteristics, 1980.

  谢露红,王延浩,赵雨山,黄永章.功率器件功率循环测试技术的挑战与分析[J/OL].中国电机工程学报:1-20[9]邓二平,赵雨山,孟鹤立,

  陈杰,赵志斌,黄永章.电动汽车用功率模块功率循环测试装置的研制[J].半导体技术,2020,45(10):809-815.[10]邓二平,陈杰,赵雨山,

  邓二平(1989)，男，教授，博士，“黄山学者”优秀青年，中国能源学会专家委员，2013年哈尔滨工业大学获得学士学位，2018年华北电力大学获得博士学位，2018年6月留校任教(2018年~2022年华北电力大学)，2018年10月，德国开姆尼茨工业大2年学博士后，2022年5月，合肥工业大学教授。第二完成人获2021年电工技术学会技术发明二等奖1项，主持、参与多项国家项目和企业项目(30余项)，发表高水平论文70余篇，其中SCI检索论文30余篇，申请专利30余项。研究方向为功率器件(IGBT、SiC MOSFET和GaN器件)封装、可靠性和失效机理研究，如可靠性测试方法、测试技术、失效分析以及寿命状态监测等。

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