一种SiC功率模块封装焊层可靠性实时监测装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种SiC功率模块封装焊层可靠性实时监测装置及方法。

背景技术

遵循“超越摩尔”的理论，功率电子技术在SiC和GaN等宽禁带半导体的支持下，向着更高的功率密度、更功能化和小型化的方向快速发展。而为了确保高功率电子器件的可靠性，芯片互联层可靠性的评估就显得尤为重要。

加速寿命试验通常被认为是评估芯片互联层可靠性的最可靠方法，其通过增加负载水平和频率的方式，在短时间内对焊层进行可靠性检测。在加速寿命试验过程中，由于各层不同的热膨胀系数，焊层会受到试验期间温度变化引起的热应力影响，热应力的累积和裂纹的萌生、扩展会导致焊层的退化甚至失效，从而导致器件故障。

而为了更加准确地评估芯片互联层的可靠性，就需要清楚地了解加速寿命试验过程中焊层的实时状态，因此需要开发一种能够精准实时监测裂纹萌生的监测装置，以此来采集实时数据，进而为构建焊层失效模型提供数据支持，以便于通过模型对对焊层寿命进行准确预测。而现有技术中，则缺少一种能够在加速寿命试验过程中精准且实时地监测焊层状态的装置。

发明内容

针对现有技术存在的加速寿命试验过程中难以实时检测焊层状态，进而导致无法对焊层失效过程进行系统性研究的问题，本发明的目的在于提供一种SiC功率模块封装焊层可靠性实时监测装置及方法，以便于至少部分地解决上述问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

第一方面，本发明提供一种SiC功率模块封装焊层可靠性实时监测装置，包括：

源测量单元，所述源测量单元基于四线法与至少一个SiC功率模块电性连接；

转换单元，所述转换单元电性连接在所述源测量单元与各所述SiC功率模块之间；

以及上位机，所述上位机与所述源测量单元以及所述转换单元电性连接；

其中，所述上位机用于控制所述转换单元进行通道切换，以使所述源测量单元与各所述SiC功率模块选择性地导通；所述上位机还用于控制所述源测量单元输出源信号，所述源信号流经SiC功率模块后形成反馈信号并被所述源测量单元再次采集；所述上位机还用于根据所述源信号、所述反馈信号以及预设的模型计算获得用于表示各所述SiC功率模块封装焊层可靠性的电阻值R

在一优选实施例中，所述SiC功率模块包括依次层叠布置的基板、重布线层、焊层和SiC芯片，所述源测量单元及所述转换单元均与所述SiC芯片电性连接。

在一优选实施例中，采用开尔文四线监测法对所述重布线层进行设计与加工，并基于所述SiC芯片的大小和分布位置进行调整，包括：根据所述SiC芯片的大小在其四角分别设置用于连接所述SiC芯片的重布线层；各所述重布线层的区域面积大于所述焊层的面积，且间隔大于0.05mm；所述重布线层的顶部所设置的用于辅助焊接的金属层的厚度为7.5-12.5μm。

在一优选实施例中，所述SiC芯片的四角印刷有焊料，根据预设的烧结工艺及烧结参数烧结所述焊料而实现对所述SiC芯片的固晶，所述焊料经烧结后形成的区域即为所述焊层，且所述焊料的烧结区域位于所述SiC芯片以及所述重布线层的范围内。

在一优选实施例中，所述转换单元包括用于控制通道切换的三插槽主机以及具有若干个2线通道或4线通道的板卡。

第二方面，本发明还提供一种SiC功率模块封装焊层可靠性实时监测方法，所述方法应用于如上所述的装置，所述方法包括以下步骤：

S1、上位机控制转换单元按照预设的频率和规则切换通道，且上位机同步地控制源测量单元地输出源信号；所述源信号为电压或电流信号，所述源信号流经对应的SiC功率模块中的SiC芯片后形成反馈信号并被所述源测量单元再次采集；

S2、上位机接收并存储由所述源测量单元发送的反馈信号，并基于所述源信号、所述反馈信号以及预设的模型计算获得用于表示各所述SiC功率模块封装焊层可靠性的电阻值R

在一优选实施例中，所述源测量单元基于开尔文四线监测法与所述SiC功率模块电性连接，则所述预设的模型为开尔文四线监测电阻模型:

其中R

其中，若R

在一优选实施例中，所述源测量单元工作在输出电路-测电阻模式上，并设定额定输出电流，电流值小于等于30mA。

在一优选实施例中，所述上位机通过基于Labview编写的可视化界面和控制程序以实现功能。

采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：通过开尔文四线检测法测量电阻，使用单独的对载电流和电压检测，相比于传统的两端检测(伏安法)，开尔文四线检测法分离的电流和电压电极，能够消除布线和探针接触的电阻的阻抗，提供更加精确的测量。另外，对加速寿命试验下的SiC功率模块进行开尔文四线检测法实时监测电阻值，通过电阻值的变化能够监测SiC功率模块在试验过程中发生的粘塑性变形和裂纹的萌生、扩展，以及SiC芯片与焊料的分层现象，从而为精准预测模块的失效、研究焊层失效提供了一种方法。通过转换单元的设置，实现了多SiC芯片共同监测，三插槽的转换单元可支持最多27颗SiC芯片的测试

附图说明

图1为实施例一公开的SiC功率模块封装焊层可靠性实时监测装置的结构示意图；

图2为实施例一中SiC功率模块的剖视图；

图3为实施例一中SiC功率模块的结构示意图；

图4为实施例二中在热冲击试验中实时监测1250个循环下电阻值变化的示意图；

图5为实施例三中电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示对本发明结构的说明，仅是为了便于描述本发明的简便，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

对于本技术方案中的“第一”和“第二”，仅为对相同或相似结构，或者起相似功能的对应结构的称谓区分，不是对这些结构重要性的排列，也没有排序、或比较大小、或其他含义。

另外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个结构内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据本发明的总体思路，联系本方案上下文具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

一种SiC功率模块封装焊层可靠性实时监测装置，如图1所示，包括源测量单元、转换单元、上位机以及若干个(例如10个)SiC功率模块。其中，源测量单元基于开尔文四线法与各个SiC功率模块电性连接，而转换单元则电性连接在源测量单元与各个SiC功率模块之间，上位机则与源测量单元以及转换单元电性连接。

本实施例中，如图2及图3所示，SiC功率模块包括依次层叠布置的基板、重布线层、焊层和SiC芯片，焊层和SiC芯片可封装在塑封壳层内。

其中，采用开尔文四线监测法对重布线层进行设计与加工，并基于SiC芯片的大小和分布位置进行调整，包括：根据SiC芯片的大小在其四角分别设置用于连接SiC芯片的重布线层；各重布线层的区域面积大于焊层的面积，且间隔大于0.05mm；重布线层的顶部所设置的用于辅助焊接的金属层的厚度为7.5-12.5μm。

其中，SiC芯片的四角分别印刷有焊料，并根据预设的烧结工艺及烧结参数烧结焊料，从而实现对SiC芯片的固晶，焊料经烧结后形成的区域即为上述的焊层，且焊料的烧结区域位于SiC芯片以及重布线层的范围内。

本实施例中，该源测量单元配置为同时具有测量和源两种功能，源测量单元能够在输出(或扫描)源信号(电压或电流信号)的同时，还能够同步地采集到对应的反馈信号(电压或电流信号)，从而得到曲线。该源测量单元适用于I-V特性和高精密测量，具备高精度特点，能够量测到pA级的微小电流。

本实施例中，转换单元具体包括用于控制通道切换的三插槽主机以及具有10个4线通道的板卡。卡板的4线通道数量与SiC功率模块(SiC芯片)的数量相同，并一一对应地连接，对于每个SiC芯片来说，其四角所连接的四根导线分别连接在卡板的一个4线通道上，通过三插槽主机即可控制各个4线通道的通断状态，从而使源测量单元与各个SiC功率模块选择性地导通。

本实施例中，上位机用于控制转换单元进行通道切换，以使源测量单元与各个SiC功率模块选择性地导通；上位机还用于控制源测量单元输出源信号，该源信号流经对应的SiC功率模块后会形成反馈信号，从而并被源测量单元再次采集；上位机还用于根据源信号、反馈信号以及预设的模型计算获得表示各SiC功率模块封装焊层可靠性的电阻值R

上位机计算获得表示各SiC功率模块封装焊层可靠性的电阻值R

由于源测量单元基于开尔文四线监测法与SiC功率模块电性连接，则上述所称的预设的模型为开尔文四线监测电阻模型:

其中，R

其中，若R

本实施例公开的装置采用开尔文四线检测法测量电阻，使用单独的对载电流和电压检测，相比于传统的两端检测(伏安法)，开尔文四线检测法分离的电流和电压电极，能够消除布线和探针接触的电阻的阻抗，提供更加精确的测量。另外，对加速寿命试验下的SiC功率模块进行开尔文四线检测法实时监测电阻值，通过电阻值的变化能够监测SiC功率模块在试验过程中发生的粘塑性变形和裂纹的萌生、扩展，以及SiC芯片与焊料的分层现象，从而为精准预测模块的失效、研究焊层失效提供了一种方法。通过转换单元的设置，实现了多SiC芯片共同监测，三插槽的转换单元可支持最多27颗SiC芯片的测试。

实施例二

一种SiC功率模块封装焊层可靠性实时监测方法，方法应用于上述实施例公开的装置，方法包括以下步骤：

S1、上位机控制转换单元按照预设的频率和规则切换通道，且上位机同步地控制源测量单元地输出源信号，该源信号为电压或电流信号，源信号流经对应的SiC功率模块中的SiC芯片后形成反馈信号并被源测量单元再次采集；

S2、上位机接收并存储由源测量单元发送的反馈信号，并基于源信号、反馈信号以及预设的模型计算获得用于表示各SiC功率模块封装焊层可靠性的电阻值R

其中，源测量单元基于开尔文四线监测法与SiC功率模块电性连接，则预设的模型为开尔文四线监测电阻模型:

其中，R

其中，若R

在步骤S1中，上位机以顺序循环的规则控制转换单元切换通道，如图4所示，其为在热冲击试验中实时监测1250个循环下电阻值变化的示意图，可以看出设备监测到芯片在1250个循环左右发生电阻值上升，且电阻值存在不断上升趋势。裂纹萌生及扩展和分层两种失效模式都有可能导致电阻值的变化。通过该设备，可以在焊层中实现精准的原位损伤监测。当然在其他优选实施例中，还可以其他方式切换通道。

对应的，源测量单元工作在输出电路-测电阻模式上，并设定额定输出电流值为30mA。

本实施例中，上位机通过基于Labview编写的可视化界面和控制程序以实现其各项功能，例如数据采集、数据存储和对转换单元及源测量单元的控制。

实施例三

一种电子设备，如图5所示，包括存储有可执行程序代码的存储器以及与该存储器耦合的处理器；其中，处理器调用存储器中存储的可执行程序代码，执行上述实施例公开的方法步骤。

实施例四

一种计算机存储介质，计算机存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行上述实施例公开的方法步骤。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。