IGBT模塊：技術、驅動和應用課件：質量與可靠性

IGBT模塊：技術、驅動和應用質量與可靠性IGBTModules–Technologies,DriverandApplication1IGBTModules–Technologies,DriverandApplication目錄31245簡介應用中的失效機理加速模型型式試驗和常規(guī)試驗提高負載周次能力的措施67壽命計算電壓失效圖片8宇宙粒子射線9小結2IGBTModules–Technologies,DriverandApplication簡介功率器件的質量和可靠性是電力電子產品質量和可靠性的基礎器件魯棒設計的目標：計算壽命比客戶預期的更長設計邊界條件超出使用條件器件失效:突發(fā)失效漸變失效3關于器件失效的一些術語：簡介IGBTModules–Technologies,DriverandApplication失效率λ:指N個元件在一定時間Δt內有n個發(fā)生失效。元件的失效率:以每十億設備工時出現一例失效為正常標準，即FIT“失效時間”。平均失效間隔時間MTBF:

已知單獨器件的FIT率，可以計算由這些器件組成系統的MTBF率百萬分率ppm:在同一周期內生產的器件數量ndelivered和失效數量nfailed的比值43器件失效機理應用中的失效機理IGBTModules–Technologies,DriverandApplication5加速模型IGBTModules–Technologies,DriverandApplication加速模型:在較高的壓力下和較少的測試時間內完成試驗。6ArrheninusModel/阿氏加速模型EyringModel/艾林模型PeckModel/佩克模型Coffin-MansonModel/科芬-曼森模型加速因子AF為:加速模型IGBTModules–Technologies,DriverandApplication加速模型測試流程7加速模型IGBTModules–Technologies,DriverandApplication溫度變化曲線應用對象所在地的氣候條件8加速模型IGBTModules–Technologies,DriverandApplication負載周期內的溫度波動Δtop次數的分布9加速模型IGBTModules–Technologies,DriverandApplication某種應用條件下的周次測試，基于由氣候因素引起的溫度變化而推導出所需的測試周期的例子室外溫度/℃-25-20-15-10-5051015202530每年的天數51010202530455050503535每天的負載周次222222222222每天的負載周次10202040506090100100100707015天內的負載周次150300300600750900135015001500150010501050

Top,min,Diode/℃-25-20-15-10-5051015202530

Top,max,Diode/℃126126126126126126126126126126126126

ΔTop,Diode/K15114614113613112612111611110610196nStress293521462814893936122011701004855506424909710加速模型IGBTModules–Technologies,DriverandApplication在一個循環(huán)實驗中推導出測試周次

119型式試驗和常規(guī)試驗標準工業(yè)級IGBT模塊類型和常規(guī)試驗項目IGTBModules–Technologies,DriverandApplication測試項目型式試驗常規(guī)試驗測試項目型式試驗常規(guī)試驗集-射極電壓Uce*sus×集-射極飽和電壓UCEsat××集-射極電壓UCES××集-射極漏電流ICES×柵-射極電壓±UGES×輸入電容Cies×RBSOA×輸出電容Coes×SCSOA×反饋電容Cres×ESD電壓UGE*(ED)×HTRB×柵極電流IC×HTGS×柵-射極閾值電壓UGE(TO)××絕緣電壓Uisol××柵-射極漏電流IGES××物理尺寸、電氣間隙和爬電距離×開通損耗，能量Eon×基板尺寸×（×）關斷損耗，能量Eoff×雜散電感×開通時間ton,td(on),tr×接線端子的魯棒性×（×）關斷時間toff,td(off),tf×TC（熱周次）×熱阻Rth(j-c)和熱阻抗Zth(j-c)×PC（功率周次）×12型式試驗和常規(guī)試驗標準工業(yè)級IGBT模塊質量測試項目IGBTModules–Technologies,DriverandApplication13型式試驗和常規(guī)試驗失效細節(jié)和相應測試的關系IGBTModules–Technologies,DriverandApplication14

目的：在最大工作結溫時考察模塊阻斷80%~90%的標稱電壓的特性。

測試時間1000h。

方法：測量漏電流ICES型式試驗和常規(guī)試驗HTRB測試IGTBModules–Technologies,DriverandApplication15HTGS測試方法：測量柵極電流，測試時間1000h

焦點：IGBT的柵極氧化層型式試驗和常規(guī)試驗IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationH3TRB測試：在給定溫度和濕度下，測試電壓最高80V時，考察模塊阻斷電壓的特性。方法：測量漏電流ICES，時間1000h焦點：IGBT的柵極鈍化層16TST測試方法：在兩個不同溫度系統中交替存儲，并定義了循環(huán)次數焦點：IGBT模塊的封裝和基板與DCB間的連接型式試驗和常規(guī)試驗IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationTC測試標準：熱阻Rth(jc)焦點：

芯片和DCB之間的連接（芯片焊接層）以及DCB和底板的連接（系統焊接層）17TST測試和TC測試主要是考察不同材料連接的可靠性連接的兩種材料的熱膨脹系數相差越大，連接點在受熱或冷卻過程中所受的壓力就越大。因此，要用CTE相近的材料連接以降低焊層分離的可能性。型式試驗和常規(guī)試驗IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationIGBT模塊中不同材料的膨脹系數18由銅基板和Al2O3陶瓷組成的標準IGBT模塊的TC測試示例型式試驗和常規(guī)試驗IGBTModules–Technologies,DriverandApplication19銅基板模塊的TC曲線可以利用該曲線計算模塊的大概壽命型式試驗和常規(guī)試驗IGBTModules–Technologies,DriverandApplication20PC測試通過施加負載電流，從而加熱半導體。然后關閉電源使得系統迅速冷卻，并滿足一定數量循環(huán)周次焦點：

連接芯片和DCB的綁定線型式試驗和常規(guī)試驗IGBTModules–Technologies,DriverandApplication綁定線斷裂綁定線從芯片的金屬覆層上脫落失效機理21功率半導體的循環(huán)周次能力與開通時間ton密切相關型式試驗和常規(guī)試驗IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationPC測試曲線：估算芯片壽命22最大結溫為125℃典型的循環(huán)周期模塊自加熱外部冷卻PC測試條件：基于占空比的IGBTPC周次測試當IGBT工作時，由于模塊內每層材料的熱阻Rth不同，使得模塊內部的溫度梯度分布不同。提高負載周次能力的措施IGBTModules–Technologies,DriverandApplication23DCB：系統焊層的分離，總是從DCB的角落開始。避免在DCB的四角產生直角可以提高系統焊接層的負載周次能力插入凹紋：在DCB的覆銅層邊緣引入特定的壓痕來防止覆銅層的脫落，從而提高自身的負載周次能力。提高負載周次能力的措施IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationCTE值匹配在IGBT模塊的開發(fā)過程中，保持組合材料之間的CTE值差異越低越好24提高負載周次能力的措施IGBTModules–Technologies,DriverandApplication低溫連接（LTJ）內部各層的結構及連接材料A和B的結構25作壓力40MPa持續(xù)時間60秒工作溫度220℃工藝參數：采用焊接技術和低溫連接技術兩種模塊的負載周次測試結果提高負載周次能力的措施IGBTModules–Technologies,DriverandApplication低溫連接26方法：焊料與被焊接的金屬表面反應形成合金相（承受更高的溫度）材料：錫-銀和錫-金合金目的：增加實際工作過程中的最大結溫，從而增加負載周次能力提高負載周次能力的措施IGBTModules–Technologies,DriverandApplication芯片焊層的擴散焊接27新的焊接工藝和改善焊膏的成分可以增加負載周次能力提高負載周次能力的措施IGBTModules–Technologies,DriverandApplication提高系統焊接層工藝采用標準的系統焊接工藝與改進焊接工藝模塊的實驗對比28把陶瓷與基板直接連接是另一種增加TC負載周次能力的方法提高負載周次能力的措施IGBTModules–Technologies,DriverandApplication直接鍵合陶瓷到基板29基板和陶瓷之間的連接會受到限制，即直接連接單元的大小。提高負載周次能力的措施IGBTModules–Technologies,DriverandApplication直接鍵合陶瓷到基板30實際應用中，幾個單元會通過模塊的框架結構進行連接銅綁定線優(yōu)于鋁鍵合的兩方面：相同的橫截面，電流的容量增加；同時功率循環(huán)周次能力增加。提高負載周次能力的措施IGBTModules–Technologies,DriverandApplication銅綁定線采用銅鍵合工藝同時采用銅作為芯片表面金屬覆層。31給定負載循環(huán)300s，據此計算損耗及計算相應的散熱器溫度、底板溫度和結溫。壽命計算IGBTModules–Technologies,DriverandApplication32IGBT壽命計算示例子480A11s425A10s740A2s0A0A0A直流母線電壓為900VIGBT的開關頻率為4kHz輸出電流的基波頻率為50Hz功率因數為1通過斜率轉換確定外殼溫差ΔTc壽命計算IGBTModules–Technologies,DriverandApplication33STEP1檢查底板和DCB焊接連接的壽命根據溫差可以從TC圖（圖14.9）獲得相應的周次壽命計算IGBTModules–Technologies,DriverandApplication34STEP1檢查底板和DCB焊接連接的壽命由于每個周期會使模塊的壽命縮短，可根據下式計算相對周次整個負載周期是300秒，故整個模塊的壽命為21167h壽命計算IGBTModules–Technologies,DriverandApplication35STEP2檢查綁定線連接的壽命IGBT模塊的pn結溫升ΔTvj整個周期是300秒，所以整個運行壽命是12583小時壽命計算IGBTModules–Technologies,DriverandApplication根據PC周次（圖14.12）和矯正因數或下式可確定周次數36STEP2檢查綁定線連接的壽命周次，周次周次周次周次綁定點的缺陷

失效圖片工藝與機械原因所致的失效圖像IGBTModules–Technologies,DriverandApplication綁定線脫落a)典型綁定連接b)負載功率太大c)受力太大d)綁定區(qū)域太長

37綁定線錯位

失效圖片工藝與機械原因所致的失效圖像IGBTModules–Technologies,DriverandApplication38連接雜亂定位不準鍵合腳超出DCB的銅表面綁定線斷裂綁定線脫落

失效圖片工藝與機械原因導致失效的圖片IGBTModules–Technologies,DriverandApplication振動導致失效a)振動測試前的綁定線b)振動測試后的綁定線39過電流失效

失效圖片電和熱引發(fā)失效的示例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication溫度過高引發(fā)失效過電壓失效40芯片的金屬復層熔化焊接磨損

宇宙粒子射線IGBTModules–Technologies,DriverandAppli