IGBT/模/塊/可/靠/性

作為電力電子重要大功率主流器件之一，IGBT已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家用電器、交通運(yùn)輸、電力工程、可再生能源和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。IGBT模塊要滿足現(xiàn)代技術(shù)和生產(chǎn)的需要，獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益，必須使用高可靠性的產(chǎn)品，這樣設(shè)計(jì)的產(chǎn)品才具有更高的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。那么如何實(shí)現(xiàn)IGBT模塊的可靠性呢？

首先，要了解什么是IGBT模塊？

IGBT模塊是由IGBT與FWD通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品；封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上；IGBT模塊具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)；當(dāng)前市場(chǎng)上銷售的多為此類模塊化產(chǎn)品，隨著節(jié)能環(huán)保等理念的推進(jìn)，此類產(chǎn)品在市場(chǎng)上將越來(lái)越多見。

IGBT的工作原理是什么？

IGBT是將強(qiáng)電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率MOSFET的自然進(jìn)化。由于實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的擊穿電壓BVDSS需要一個(gè)源漏通道，而這個(gè)通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點(diǎn)。

IGBT是MOSFET和GTR(功率晶管)相結(jié)合的產(chǎn)物。它的三個(gè)極分別是集電極(C)、發(fā)射極(E)和柵極(G)。擊穿電壓可達(dá)1200V，集電極最大飽和電流已超過1500A。由IGBT作為逆變器件的變頻器的容量達(dá)250kVA以上，工作頻率可達(dá)20kHz。

IGBT模塊的可靠性技術(shù)測(cè)試。

如何才能實(shí)現(xiàn)高的可靠性呢？IGBT模塊在設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性測(cè)試顯得尤為重要。這可以分為設(shè)計(jì)階段和批量生產(chǎn)兩個(gè)方面去實(shí)現(xiàn)：

設(shè)計(jì)階段考慮之一：封裝材料的選取，比如芯片技術(shù)、焊接材料、外殼封裝材料、芯片鈍化層的材料；

設(shè)計(jì)階段考慮之二：封裝連接工藝的采用，比如焊接工藝、燒結(jié)工藝、鍵合線的幾何形狀、彈簧連接；

設(shè)計(jì)階段考慮之三：芯片的布局，比如實(shí)現(xiàn)更好的均流，降低電磁干擾的影響；

批生產(chǎn)中主要考慮穩(wěn)定的工藝實(shí)現(xiàn)過程及其精準(zhǔn)的控制。

在整個(gè)測(cè)試過程中，必須對(duì)測(cè)試前、測(cè)試中、測(cè)試后的器件參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和對(duì)比。對(duì)IGBT而言，當(dāng)測(cè)試參數(shù)出現(xiàn)以下變化時(shí)，就可認(rèn)為出現(xiàn)失效：

HTRB 高溫反偏測(cè)試

高溫反偏測(cè)試主要用于驗(yàn)證長(zhǎng)期穩(wěn)定情況下芯片的漏電流，考驗(yàn)對(duì)象是IGBT邊緣結(jié)構(gòu)和鈍化層的弱點(diǎn)或退化效應(yīng)。

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：IEC 60747-9

測(cè)試條件為：1000個(gè)小時(shí)，95% VCE(max)，125℃

測(cè)試原理圖如下：

在測(cè)試中，需持續(xù)監(jiān)測(cè)門極的漏電流和門極開通電壓，若這兩項(xiàng)參數(shù)超出指定規(guī)格，則模塊將不能通過此項(xiàng)測(cè)試。

H3TRB 高溫高濕反偏測(cè)試

高溫高濕反偏測(cè)試，也就是大家熟悉的雙85測(cè)試，主要用于測(cè)試濕度對(duì)功率器件長(zhǎng)期特性的影響。

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：IEC 60068-2-67

測(cè)試條件為：1000個(gè)小時(shí)，環(huán)境溫度85℃，相對(duì)濕度85%，VCE=80V

測(cè)試原理圖如下：

在這一項(xiàng)測(cè)試中，施加的電場(chǎng)主要用于半導(dǎo)體表面離子積累和極性分子的驅(qū)動(dòng)力，但是為了避免測(cè)試過程中漏電流產(chǎn)生的溫升降低相對(duì)濕度，所以對(duì)于IGBT器件，一般選用80V做為測(cè)試電壓，這樣能將芯片的自加熱溫度控制在2℃以內(nèi)。

PC 功率循環(huán)測(cè)試

對(duì)比溫度循環(huán)，在功率循環(huán)中，測(cè)試樣品通過流過半導(dǎo)體的電流進(jìn)行主動(dòng)加熱至最高目標(biāo)溫度，然后關(guān)斷電流，樣品主動(dòng)冷卻到最低溫度。循環(huán)時(shí)間相對(duì)較短，大約為幾秒鐘。此項(xiàng)測(cè)試的焦點(diǎn)主要是驗(yàn)證鍵合線與芯片，芯片到DCB之間連接的老化。在熱膨脹的過程中，由于芯片溫度最高，因此與芯片相連的鍵合線和與DCB相連的焊接層受力最大。

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：IEC 60749-34

測(cè)試條件為：ΔTj=100K，共20000個(gè)循環(huán)

測(cè)試原理圖如下：

在測(cè)試中，需持續(xù)監(jiān)測(cè)IGBT芯片的飽和壓降和溫度。標(biāo)準(zhǔn)功率模塊中，鍵合線脫離和焊料疲勞是主要的失效機(jī)理，對(duì)于使用了先進(jìn)燒結(jié)技術(shù)的模塊，主要失效為鍵合線脫離。主要表現(xiàn)為IGBT芯片的飽和壓降升高。同時(shí)也可使用超聲波掃描顯微鏡(SAM)對(duì)比評(píng)估焊料層的疲勞情況。

以上就是關(guān)于IGBT模塊的部分測(cè)試內(nèi)容。

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