죄송합니다. 더 이상 지원되지 않는 웹 브라우저입니다.

반도체네트워크의 다양한 최신 기능을 사용하려면 이를 완전히 지원하는 최신 브라우저로 업그레이드 하셔야 합니다.
아래의 링크에서 브라우저를 업그레이드 하시기 바랍니다.

Internet Explorer 다운로드 | Chrome 다운로드

파워 사이클링 테스트를 사용한 디스크리트 IGBT 신뢰성 분석


PDF 다운로드



글/Ludger Borucki, Thomas Kimmer, Oliver Schilling, Guang Zeng, 인피니언 테크놀로지스


전력 반도체를 설계할 때 중요하게 고려해야 할 것이 품질과 신뢰성이다. 이 두 요소는 애플리케이션의 수명과 설치 가능한 장소에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 최대 전력 및 높은 부하 전류로 신뢰하게 동작할 수 있느냐 하는 것에도 영향을 미친다.
첨단 칩, 본딩, 패키징 기술의 성능을 평가하기 위해서 흔히 사용되는 기법이 파워 사이클링 테스트이다. 1990년대 후반에 전력 반도체에 관한 모델이 도입되었으며, 이 모델을 사용해서 제품 수명을 예측할 수 있게 되었다. 하지만 이것은 주로 전력 모듈에 관한 것이었다. 최근 몇 년 사이에 디스크리트 IGBT를 사용하는 애플리케이션이 늘어나고 있다. 이러한 애플리케이션으로서 UPS(무정전 전원장치), 태양광 인버터, 저전력 산업용 드라이버, 조리용 인덕션, EV 충전기를 들 수 있다. 이러한 애플리케이션들로 전력 시스템의 신뢰성과 수명을 평가하기 위해서 좀더 많은 정보가 필요하게 되었다.
이 글에서는 본 연구를 위해서 파워 사이클링 테스트를 어떻게 실시했는지 설명하고, 인피니언의 트랜스퍼 몰드 디스크리트 IGBT에 대해서 시험 결과를 살펴본다. 이 시험은 켐니츠 공과대학과 공동으로 진행했다. 상세한 파워 사이클링 테스트 셋업과 절차에 관해서는 참고문헌[1]에서 설명하고 있다.
이 테스트를 위해서 TO247 패키지를 적용한 인피니언의 1200V, 650V, 600V IGBT 중에서 11개 디바이스를 골고루 선택했다. 그림 1은 이들 IGBT의 전압대와 정격 전류를 보여준다. 이들 파라미터는 도통 손실 면에서 디바이스 면적 및 전류 사양 면에서 본딩 방식과 직접적인 연관성을 갖는다. 모든 시험이 동일한 TO247 패키지와 동일한 BOM을 사용했다. 또한 모든 시험 대상 디바이스들로 동일한 몰드 화합물과 동일한 본드 와이어 직경을 사용했다.

TT(파워)-1.jpg

[그림 1] 선택한 디바이스의 전압대와 공칭 전류

먼저, 참고문헌 [2]에서 설명하고 있는 코핀-맨슨 법칙과 온도 의존성 이외에 어떤 것들이 파워 사이클링 성능에 영향을 미치는지 알아보기로 했다. 온도 변화 ΔTj ~90°C, 평균 접합부 온도 Tjm ~105°C, 턴 온(on) 지속시간 ton = 2s, 턴 오프(off) 지속시간 toff = 4s의 동일한 조건으로 테스트를 했다. 이러한 테스트 조건은 이들 IGBT가 사용되는 표준적인 애플리케이션을 나타내는 것으로서, 디바이스 전류 사양에 가깝게 테스트를 할 수 있었다.
Vce(T) 기법을 사용해서 칩 온도를 측정했다. 이 테스트는 스위치 오프직후 정션 온도를 측정하는 것이 불가능하므로, 신뢰할 수 있는 측정을 위해서 지연시간을 500?s로 설정했다. 그림 2의 유한 요소 시뮬레이션(FEM) 결과를 보면, 이 테스트에 사용된 디바이스들이 500μs에 온도가 약 1.1°C 떨어지고 동작 면적당 전력 손실이 1W/mm2이라는 것을 알 수 있다.

TT(파워)-2.jpg
[그림 2] 펄스 스위치 오프 후에 온도 변화에 관한 FEM 시뮬레이션. DUT8에 대한 것으로서, 시뮬레이션이 실제 측정과 잘 일치한다는 것을 알 수 있다.

측정된 정션 온도를 적절히 보정하고 ΔTj = 90°C 및 Tjmean = Δ105°C의 동일한 테스트 조건으로 정규화했다. 그러기 위해서 α = -3.56의 코핀-맨슨 지수와 Ea = 0.168eV의 활성화 에너지를 사용했다. 이 코핀-맨슨 지수와 활성화 에너지는 단일 본드 와이어와 단일 본드 풋을 사용한 별도의 시험을 해서 계산했다. 파라미터 도출에 관해서는 참고문헌 [3]에서 상세히 설명하고 있다. EOL(end-of-life) 결함 모드를 분석하기 위해서 모든 디바이스에 대해서 초음파 주사 현미경(SAM) 검사를 했다.
그림 3에서 보듯이, 솔더 칩 경계면으로는 어떤 이상이 발견되지 않았으나 본드 풋과 IGBT 칩 표면 사이의 경계면으로는 심각한 이상이 관찰되었다. 다이오드의 스트레스를 받지 않은 본드 풋은 까맣게 나타난다(오른쪽 칩). IGBT의 스트레스를 받은 본드 풋은 밝게 나타난다. 과도한 스트레스를 받아서 EOL에 도달한 디바이스들을 분해해서 본드 와이어를 검사했다. SAM 사진에서 완전히 밝은 접촉 부위는 본드 들뜸이 EOL 결함 모드인 것으로 확인되었다(그림 4). SAM 사진에서 까맣게 나온 부위에서는 본드 와이어 힐 크랙이 관찰되었다(그림 5).

TT(파워)-3.jpg

[그림 3] 칩 전면의 SAM 사진. 다이오드의 스트레스를 받지 않은 본드 와이어 풋은 까맣게 나타난다. 상단 IGBT 본드 와이어 풋의 완전히 밝은 부위는 본드 와이어 리프트를 나타낸다. 몰드 화합물을 제거한 후에 더 자세히 살펴보았다.

TT(파워)-4.jpg

[그림 4] 몰드 화합물을 제거한 후에 IGBT의 상단면 본드 풋 들뜸. SAM 사진에서 이 본드 풋 부위가 밝게 나타난다.

TT(파워)-5.jpg

[그림 5] 파워 사이클링 후에 본드 와이어 힐 크랙

힐 크랙이 고장 원인인 디바이스는 본드당 부하 전류와 EOL의 연관성을 관찰할 수 있었다. 하지만 본드 들뜸이 고장 원인인 디바이스들에 대해서는 이러한 연관성을 확인할 수 없었다. 그림 6에서는 힐 크랙이 고장 원인인 디바이스가 본드 리프트 원인인 디바이스보다 더 높은 EOL 사이클 횟수를 달성한다는 것을 알 수 있다. 전류 밀도에 대해서도 마찬가지였다. 본드 리프트 원인인 디바이스들은 EOL 사이클과의 연관성이 확실치 않으나, 힐 크랙이 원인인 디바이스들로는 연관성을 관찰할 수 있었다.

TT(파워)-6.jpg
[그림 6] 테스트 디바이스들로 본드당 전류에 따른 EOL 사이클. 측정된 사이클을 Tjmean = 105°C, ?T = 90°C로 정규화했다. 동그라미는 힐 크랙이 EOL 고장 원인인 디바이스를 나타내고, 네모는 본드 리프트가 EOL 고장 원인인 디바이스를 나타낸다.

TT(파워)-7.jpg

[그림 7] 전류 밀도에 따른 EOL 사이클

비슷한 전력 밀도일 때 600V/650V IGBT가 1200V IGBT보다 더 높은 전류 밀도를 달성한다(그림 8). 1200V IGBT가 Vce 포화 전압이 더 높기 때문이다. 전류 밀도가 높으면 와이어 리프트를 촉진함으로써 힐 크랙이 발생되기 전에 사이클 횟수가 끝나는 것으로 보인다. 이 상관관계를 이해하기 위한 모델을 개발할 필요가 있어 보인다.

TT(파워)-8.jpg

[그림 8] 전압대 별로 디바이스 면적당 전류, 다시 말해서 전류 밀도

인피니언의 600V/650V IGBT에 대해서 파워 사이클 곡선을 제공하기 위해서 본드 리프트 원인인 그룹(그림 5 및 그림 6에서 네모로 표시된 것들)을 살펴보았다. 전류 밀도나 본드 와이어당 전류 같은 것들을 보정하지 않았다. 그림 7은 달성된 사이클의 누적 베이불(Weibull) 분포를 보여준다. 전반적으로 선형적이라는 것을 알 수 있는데, 이것은 어떤 추가적인 파라미터가 파워 사이클 횟수에 영향을 미치지 않는다는 것을 보여준다. 거의 선형적인 이 데이터를 사용해서 인피니언의 600V/650V IGBT 디바이스의 파워 사이클 도표를 추론했다(그림 10). Tjmean = 80?C 온도로 온도 스윙에 따른 3가지 EOL 백분율 곡선을 볼 수 있다. 펄스 온 지속시간은 10s 미만이다. 이 시험에서는 확인되지 않았으나 펄스 지속시간이 이보다 길면 칩 후면 솔더의 피로도 때문에 EOL 사이클 횟수가 제한적일 것으로 예상된다.
본 연구에서는 TO-247 패키지를 적용한 11가지 디바이스로 두 차례의 파워 사이클링 테스트를 실시했다. 110개 이상 디바이스를 고장이 날 때까지 테스트했다. 첫 번째 테스트에서는 본드당 부하 전류 다시 말해서 부하 전류 밀도가 TO-247 패키지의 파워 사이클링 횟수에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다. 두 번째 테스트에서는 접합부 온도 스윙 ΔTj 및 평균 접합부 온도 Tjm과 수명의 연관성을 살펴보았다. 아울러서 원하는 사용자들에게는 TO247을 적용한 인피니언의 600V/650V IGBT에 대해서 추론 모델을 제공하므로 이를 사용해서 각기 다른 애플리케이션 조건으로 파워 사이클링 성능을 이해할 수 있다. TO247을 적용한 인피니언의 1200V 디바이스에 관한 모델도 조만간 제공할 예정이다.

TT(파워)-9.jpg
[그림 9] DUT 7, 8, 9, 11로 달성된 파워 사이클

TT(파워)-10.jpg
[그림 10] 10%, 1%, 0.1% EOL로 ?T 대비 달성 가능한 파워 사이클. 펄스 지속시간은 10s 미만이고 Tjmean = 80?C이다. 점선은 예측데이터 이고, 실선은 측정 데이터에 기반한 것이다.

참고문헌
[1]  Guang Zeng, Dissertation TU Chemnitz 2018/19, to be published
[2]  R. Bayerer, T. Herrmann, T. Licht, J. Lutz and M. Feller, "Model for power cycling lifetime of IGBT modules - various factors influencing lifetime“, in Proc. of the 5th CIPS, pp. 1-6, 2008
[3]  G. Zeng, L. Borucki, O. Wenzel, O. Schilling, J. Lutz, "First results of development of a lifetime model for transfer molded discrete power devices“, Proc. PCIM Europe 2018, pp. 1-8, 2018

leekh@seminet.co.kr
(끝)
<저작권자(c) 반도체네트워크, 무단 전재-재배포 금지>

X


PDF 다운로드

개인정보보호법 제15조에 의한 수집/이용 동의 규정과 관련하여 아래와 같이 PDF 다운로드를 위한 개인정보 수집 및 이용에 동의하십니까? 동의를 거부할 수 있으며, 동의 거부 시 다운로드 하실 수 없습니다.

이메일을 입력하면,
(1) 신규참여자 : 성명/전화번호/회사명/분야를 입력할 수 있는 입력란이 나타납니다.
(2) 기참여자 : 이메일 입력만으로 다운로드가 가능합니다.

×

회원 정보 수정