五大基本組件構成IPM電路結構
IPM即智慧功率模組，將功率開關元件和驅動電路整合在一起，內部包括過壓保護、過流保護、過溫保護、短路保護、欠壓保護等檢測電路。當發生負載事故或使用不當時，可將檢測訊號發送至CPU，確保不受損壞。IPM因其運作可靠性高、功能強大，並具備自診斷和保護功能，廣泛應用於驅動馬達的變頻器和各種逆變電源。
IPM的使用過程中會產生各種故障，在盡可能減少破壞晶片的同時，透過功能測試的方式快速定位失效位置是一項非常關鍵的技術，也是不可或缺的一個重要環節。本文從智慧功率模組的結構開始，主要介紹IPM電路結構和模組測試方法，為快速故障區域定位提供依據，大幅縮短失效分析週期。
以三相逆變器為例，其內部結構如圖1所示。
其基本組件包括：
1.6個IGBT逆變器電路功率模組，IGBT1到IGBT6組成逆變橋。
2.6個快速超軟恢復續流二極體(Ultra-soft Freewheeling Recovery Diode, FRD)，FRD1-FRD6是與六個主IGNT反並聯的回饋二極體。
3.3個半橋高壓閘極驅動器，提供了無需光電耦隔離的IGBT驅動能力，大幅降低逆變系統的總成本。而HVIC設定了最佳的IGBT驅動條件，驅動電路與IGBT距離短，輸出阻抗低，不需要加反向偏壓。
4.1個負溫度係數熱敏電阻(NTC Thermistor)控制溫度變化。IPM內部的絕緣基板上設有溫度檢測元件，檢測絕緣基板溫度(IGBT、FRD晶片異常發熱後的保護動作時間比較慢)，對於晶片的異常發熱能高速實現過熱保護。
5.3個濾波電容器(RC)，RC1-RC3分別對3個HVIC電源輸入端進行濾波處理。
IPM故障測試及失效定位
IPM模組內部元件很多，相互關聯且相互影響，而分離各個元件需要對晶片進行去模封處理，處理的過程可能產生新的影響。因此，透過測試方法儘快準確定位失效區域至關重要。
對此，本文提出了一個完整的故障測試流程，如圖2所示，能夠針對IPM模組的各個組件進行測量，在盡量不損壞晶片的情況下快速定位故障位置。
絕緣性測試
絕緣性測試又稱高壓測試。測試的基本原理是將一規定交流或直流高壓施加在電器帶電部分和不帶電部分(絕緣外殼)之間以檢查晶片絕緣材料所能承受耐壓能力。
實驗室採用耐壓測試儀進行絕緣性測試。如圖3所示，將所有腳位短接接測試儀負極，晶片背部銅基板接電源正極，根據產品數據手冊，測試電壓必須在5s內逐漸地上升到所要求的試驗電壓值(例如3kV等)，確保電壓值穩定加在被測絕緣體上不低於5s，此時所測回路的漏電流值與標準規定的洩漏電流臨界值相比較，就可以判斷被測產品的絕緣性能是否符合標準。
絕緣測試失效時，失效區域主要在封裝介質上。主要失效模式包括：
1.介質內空洞。導致空洞產生的主要因素為環氧樹脂內的有機或無機污染、封裝過程操作不當等。空洞的產生極易導致漏電，進而導致元件內局部發熱，並降低介質的絕緣性而導致漏電增加。
2.機械應力裂紋：在應用過程中，較大的應力可能造成晶片的應力裂紋並導致耐壓降低。如頂針壓力設置過大，造成陶瓷附銅基板(Direct Bonding Copper, DBC)產生應力裂紋，最終產生絕緣測試失效；另外應用過程中的人員的不當操作，機器故障；元件接插操作等都可能產生晶片外力損傷。
熱阻測試
熱阻是表徵IPM電路散熱性的重要參數，由於IPM往往內建多個功率元件，因此對於散熱的要求非常高。如果電路的熱阻不佳，將導致功率元件產生的熱量無法即時散發，使IPM內部的電路處於高溫的工作狀態，這使IPM的使用壽命和性能受到影響。
IPM模組內建1個負溫度係數熱敏電阻(NTC)控制溫度變化，如果基板的溫度超過設定臨界值，IPM內部的保護電路關斷門極驅動訊號，不響應控制輸入訊號，直到溫度降下來到另一設定臨界值以下，IGBT方可恢復工作。
實際測量NTC熱敏電阻的方法與測量普通固定電阻的方法相同。簡單快速的驗證方法是將IPM模組T1、T2腳位連接數位萬用表，對IPM進行加熱，如果其阻值不變化或者電阻無窮大，則說明已損壞。
如果需要精確測量NTC熱敏電阻，則需要對IPM模組進行去模封處理，將NTC熱敏電阻裸露出來，先在室溫下測得電阻值RT1；再用加熱台作熱源對熱敏電阻進行極加熱，測出電阻值RT2，同時使用紅外測溫儀測出此時熱敏電阻NTC表面的平均溫度。
實驗室採用數位萬用表測量熱敏電阻在不同溫度下的電阻值，利用收集到的數據，在Matlab中可繪製NTC熱敏電阻的R-T曲線，如圖4所示，並利用最小二乘法確定熱敏指數B。其主要的失效機理有：NTC焊接不良，外力損傷產生應力裂紋，電極有效面積減少，非平衡態的轉變過程，晶粒表面態的變化，過電應力等(圖5)。
連續性測試
連續性測試是透過在待測腳位施加正向偏置，測量待測腳位二極體的自然壓降，以此確定連接性的方法。這項測試能夠有效地對IPM各個腳位之間的電路進行檢測。
實驗室採用I/V曲線追蹤儀確定腳位間電路是否有異常，因為IPM內部各通道相互獨立(通道U/V/W)，因此可以逐步對各通道施加激勵進行檢測。
腳位間測試實際上就是測試晶片內部ESD保護電路，ESD保護電路一般設計在焊盤(Bond Pad)附近，保護電路的差異也會影響IV曲線的測試結果，因此需要與正常品進行對比。如圖6所示，正常標準品測試曲線如曲線1，失效品測試曲線如曲線2，存在一定漏電流。因此，可以透過連續性測試方法將失效區域定位在腳位間的連接電路。
連續性失效存在於測試腳位之間的電路。當腳位間連接線斷開或者鍵合失效，出現開路失效(圖7)；當測試腳位之間存在金屬絲殘留，或者內部電路金屬層融化，則出現短路失效；當內部二極體存在製程缺陷或被外界干擾所損傷時，亦可能造成短路及漏電流失效。
超快恢復二極體特性測試
超快恢復二極體是一種具有開關性能佳，反向恢復時間極短的半導體二極體，能夠提供IGBT作為續流、吸收、箝位、隔離、輸出和輸入整流器，使開關元件的功能得到充分發揮。反嚮導通電壓是指IPM內建功率開關元件(IGBT)處於關閉狀態時，當從FRD流過一定的電流後，FRD兩級之間的電壓差。
超快恢復二極體特性測試方法及正常品測試曲線如圖8所示。因為直接對二極體施加偏壓不會影響到IPM其他電路，因此在不需要施加VCC偏壓的條件下就能完成對二極體性能的檢測。
超快速二極體失效主要表現在晶圓設計上結構缺陷、焊接製程問題，而導致晶圓在焊接時產生高溫銅遷移，抗機械應力水平下降。在實際應用中又因為元件腳位跨距設計不合理，導致元件受到機械應力影響加深失效程度，最終出現過電擊穿失效(圖9)。
IPM模組功能測試
接著討論IPM模組測試。IPM模組測試實現正常工作的參數，主要包括：集電極-發射極電壓VCES、集電極-發射極電流ICES、集電極-發射極飽和電壓VCESAT，以及集電極峰值電流ICM。
．高壓漏電流測試
高壓漏電流(IDSS)的測試也包括兩部分，即IPM內置功率開關元件處於關閉狀態下的CE漏電流測試和IPM內置HVIC的高壓端(VS)漏電流測試。
基本測試電路如圖10所示，對相應通道的HVIC提供激勵使得IGBT處於關閉狀態(電源輸入端輸入供電電壓，Vboot高壓懸浮接口輸入電壓高於供電電壓，將HIN高電平訊號輸入端接地與LIN低電平訊號輸入端輸入接地，T1MOS管關斷)，在集電極-發射極施加電壓，增加VCE到規定值，所測得的IC即為ICES。
曲線1為正常品高電壓漏電，曲線2為失效品測試結果，相對於正常品漏電流增大，同時擊穿電壓降低。
．通態飽和壓降測試
IGBT通態飽和壓降VCEsat是指在閘極電壓驅動下，IGBT工作於飽和區，IGBT集電極(C)與發射極極(E)之間的電壓差。飽和壓降是衡量IGBT是否過流的重要指標。
基本測試電路如圖11所示，對相應通道的HVIC提供激勵使得IGBT 處於飽和狀態(電源輸入端輸入供電電壓，Vboot高壓懸浮介面輸入電壓高於供電電壓，將HIN高電平訊號輸入端接地，LIN低電平訊號輸入端輸入邏輯「1」，T1MOS管達到飽和狀態)，在集電極-發射極施加規定電壓，達到飽和值時，電流急劇增大。
在門極驅動電壓存在的情況下，發生IGBT過流，VCE會急劇上升，一般當VCE大於飽和壓降10us左右，IGBT就會損壞。
針對IPM模組功能參數測試需要驅動HVIC提供開關訊號至G極，因此，當測試結果出現異常時，需要根據具體的失效來判斷具體的失效位置在HVIC還是IGBT區域。例如，擊穿電壓降低，漏電流增大，但是曲線符合高壓漏電測試曲線趨勢時，可以將失效位置定位在IGBT上。如果IGBT沒有被正常開啟，則故障位置很可能在HVIC上。
離散元件功能測試
當IPM模組功能測試結果不足以判斷失效位置，或IGBT確認失效而無法確認是否為HVIC故障導致的IGBT失效時，需要將IGBT與HVIC分離，進行進一步的測量。
實驗室採用去模封處理，將HVIC輸出端與IGBT綁線進行切割的方法實現分離，然後使用探針台對分離後的元件分別進行搭線，完成測試過程。
．IGBT參數測試
IGBT是由雙極型三極體(BJT)和MOS組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體元件，其兼具MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。IGBT元件的晶片結構和等效電路如圖12所示。
IGBT的開關作用是透過加正向閘極電壓形成溝道，為PNP(原來為NPN)電晶體提供基極電流，使IGBT導通。反之，加反向閘極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關斷。IGBT的閘極(G)為多晶矽材料，與N基區中間間隔一層二氧化矽(SiO2)絕緣層。
作為絕緣層的SiO2層非常薄，十分容易受損，因此，對IGBT的安全可靠與否進行評估的重要參數就是IGSS漏極短路時截止閘電流，IDGO源極開路時，截止柵電流。實驗室採用曲線追蹤儀AC模式，依照圖13完成IGBT參數測量。
IGBT模組失效主要原因包括：過溫、過流(圖14)、過壓、動態雪崩擊穿、熱電載流子倍增、表面問題、金屬化問題、壓焊絲鍵合問題、晶片鍵合問題、封裝問題、內部缺陷等。
．HVIC參數測試
連續性測試能夠對HVIC的輸入端做基本的檢測(圖15)，但HVIC輸出端與IGBT相連，因此，在對IGBT進行功能檢測時需要首先將HVIC從IPM模組中進行分離。
所以，對驅動IC進行功能驗證時，需要借助外圍電路對IC驅動能力進行驗證。由EOS和ESD造成的IC失效占現場失效元件總數的50%左右；HVIC主要的失效來源於過電應力。過電應力是指晶片在使用過程中，電源端所加的應力超過元件所規定的最大應力。在過電應力的作用之下，在元件局部形成熱點，熱點溫度達到材料熔點時，會形成開路或短路失效，因而破壞電路結構(圖16)。
本文詳細敘述了針對IPM故障的測試定位方法，列出了不同內部組件的測試方法及可能的失效機理。借助外圍電路，通過失效品與正常品的IV曲線，輸出波形的對比，逐步定位具體的故障範圍。分析結果表明，不同的失效模式選擇不同的失效驗證方法，為快速故障區域定位提供依據。
