先进IGBT模块特点及功率模块的可靠性技术测试

浏览:96 作者: 来源: 时间:2019-11-15 分类:行业新闻

作为电力电子重要大功率主流器件之一,IGBT已经广泛应用于家用电器、交通运输、电力工程、可再生能源和智能电网等领域。IGBT模块要满足现代技术和生产的需要,获得更高的经济效益,必须使用高可靠性的产品,这样设计的产品才具有更高的市场竞争力。那么如何实现IGBT模块的可靠性呢?


什么是IGBT模块

IGBT模块是由IGBT与FWD通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品;封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上;IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点;当前市场上销售的多为此类模块化产品,一般所说的IGBT也指IGBT模块;随着节能环保等理念的推进,此类产品在市场上将越来越多见。


IGBT的工作原理是什么?


IGBT是将强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道,而这个通道却具有很高的电阻率,因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征,IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。

IGBT是MOSFET和GTR(功率晶管)相结合的产物。它的三个极分别是集电极(C)、发射极(E)和栅极(G)。击穿电压可达1200V,集电极最大饱和电流已超过1500A。由IGBT作为逆变器件的变频器的容量达250kVA以上,工作频率可达20kHz。


IGBT模块的可靠性技术测试。


如何才能实现高的可靠性呢?IGBT模块在设计阶段对产品进行可靠性测试显得尤为重要。这可以分为设计阶段和批量生产两个方面去实现:


设计阶段考虑之一:封装材料的选取,比如芯片技术、焊接材料、外壳封装材料、芯片钝化层的材料;


设计阶段考虑之二:封装连接工艺的采用,比如焊接工艺、烧结工艺、键合线的几何形状、弹簧连接;


设计阶段考虑之三:芯片的布局,比如实现更好的均流,降低电磁干扰的影响;


批量生产中主要考虑稳定的工艺实现过程及其精准的控制。


在整个测试过程中,必须对测试前、测试中、测试后的器件参数进行测量和对比。对IGBT而言,当测试参数出现以下变化时,就可认为出现失效:

图1


HTRB 高温反偏测试


高温反偏测试主要用于验证长期稳定情况下芯片的漏电流,考验对象是IGBT边缘结构和钝化层的弱点或退化效应。


测试标准:IEC 60747-9


测试条件为:1000个小时,95% VCE(max),125℃<Tc< 145 ℃


测试原理图如下:

图2


在测试中,需持续监测门极的漏电流和门极开通电压,若这两项参数超出指定规格,则模块将不能通过此项测试。






H3TRB 高温高湿反偏测试


高温高湿反偏测试,也就是大家熟悉的双85测试,主要用于测试湿度对功率器件长期特性的影响。


测试标准:IEC 60068-2-67


测试条件为:1000个小时,环境温度85℃,相对湿度85%,VCE=80V


测试原理图如下:

图3


在这一项测试中,施加的电场主要用于半导体表面离子积累和极性分子的驱动力,但是为了避免测试过程中漏电流产生的温升降低相对湿度,所以对于IGBT器件,一般选用80V做为测试电压,这样能将芯片的自加热温度控制在2℃以内。


PC 功率循环测试


对比温度循环,在功率循环中,测试样品通过流过半导体的电流进行主动加热至最高目标温度,然后关断电流,样品主动冷却到最低温度。循环时间相对较短,大约为几秒钟。此项测试的焦点主要是验证键合线与芯片,芯片到DCB之间连接的老化。在热膨胀的过程中,由于芯片温度最高,因此与芯片相连的键合线和与DCB相连的焊接层受力最大。


测试标准:IEC 60749-34


测试条件为:ΔTj=100K,共20000个循环                      


测试原理图如下:

图4、图5


在测试中,需持续监测IGBT芯片的饱和压降和温度。标准功率模块中,键合线脱离和焊料疲劳是主要的失效机理,对于使用了先进烧结技术的模块,主要失效为键合线脱离。主要表现为IGBT芯片的饱和压降升高。同时也可使用超声波扫描显微镜(SAM)对比评估焊料层的疲劳情况。



以上就是关于IGBT模块的部分测试内容,除了以上标准的可靠性技术测试项目,森未科技会进行额外的可靠性测试项目来针对不同的产品和技术,让研发设计出的IGBT模块适用于各个领域,进一步推动功率模块的技术的发展,实现了功率模块的高可靠性。