关于IGBT模块可靠性测试

IGBT/模/块/可/靠/性

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？

首先，要了解什么是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，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：

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℃

测试原理图如下：

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：

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：

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。