國(guó)產(chǎn)高可靠性IGBT器件的產(chǎn)品及可靠性介紹
針對(duì)UPS，光伏，充電樁等工業(yè)領(lǐng)域中IGBT應(yīng)用的特點(diǎn)，國(guó)產(chǎn)IGBT廠商深圳尚陽(yáng)通科技有限公司（下文簡(jiǎn)稱”尚陽(yáng)通”）深度分析客戶需求，在IGBT Chip設(shè)計(jì)階段采用先進(jìn)的CS Trench FS技術(shù)結(jié)合小Pitch設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了低通態(tài)壓降Vcesat與小開關(guān)損耗Eon+Eoff的優(yōu)秀平衡；并且在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，針對(duì)逆變器應(yīng)用場(chǎng)合選配全電流的FRED，以滿足嚴(yán)苛電網(wǎng)條件下的浪涌電流沖擊，并注重VF與反向恢復(fù)特性的平衡，使產(chǎn)品在中、大功率電力變換場(chǎng)合取得了良好的表現(xiàn)。
在IGBT單管應(yīng)用領(lǐng)域，客戶為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功率最大化與設(shè)計(jì)成本最優(yōu)化，往往使用多管并聯(lián)的設(shè)計(jì)方案，此時(shí)對(duì)IGBT單管的均流特性是個(gè)嚴(yán)苛考驗(yàn)。尚陽(yáng)通IGBT開發(fā)團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)階段從多方面考慮滿足客戶應(yīng)用需求：其一，針對(duì)Vcesat采用正溫度系數(shù)，保證在多管并聯(lián)時(shí)IGBT在導(dǎo)通情況下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流；其二，針對(duì)開關(guān)時(shí)的電流突變情況，在知名流片大廠的制造過程中對(duì)工藝條件流程的嚴(yán)苛把控，以實(shí)現(xiàn)閾值Vge(th)的分布集中化；其三，為增強(qiáng)產(chǎn)品的魯棒性，通過調(diào)節(jié)濃度減少基區(qū)電阻的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在4~5倍額定電流下正常開關(guān)，避免Latch-up現(xiàn)象的發(fā)生。
由于IGBT器件處在電力產(chǎn)品的核心位置，產(chǎn)品在惡劣運(yùn)行環(huán)境與極端工況下，客戶除了對(duì)器件的開關(guān)性能關(guān)注外，還對(duì)器件的安全工作區(qū)和長(zhǎng)期可靠性要求極高。除了可靠性測(cè)試滿足1000小時(shí)外，功率循環(huán)試驗(yàn)也是考核IGBT器件封裝長(zhǎng)期可靠性最重要的測(cè)試項(xiàng)目，通過加速老化過程可提前暴露可能的薄弱點(diǎn)，也是最能模擬器件在實(shí)際工作中的試驗(yàn)項(xiàng)目。
由于功率循環(huán)過程中器件內(nèi)部不同材料之間的熱膨脹系數(shù)(Coefficients of Thermal Expansion ,CTE)不同，所引起的循環(huán)熱應(yīng)力是造成器件老化和失效的主要原因。其中，功率循環(huán)分為秒級(jí)功率循環(huán)PCsec和分鐘級(jí)功率循環(huán)PCmin，其中秒級(jí)功率循環(huán)主要是針對(duì)鍵合線和芯片焊料層的熱應(yīng)力，也是引起分離式IGBT器件特性變化 的主要失效點(diǎn)，其中器件內(nèi)部與測(cè)試平臺(tái)示意圖如圖1示。尚陽(yáng)通IGBT單管在知名封裝大廠進(jìn)行成品封裝時(shí)，通過對(duì)鍵合、焊料和塑封材料等環(huán)節(jié)實(shí)施嚴(yán)格要求，以達(dá)到成品高可靠性的目標(biāo)。如下實(shí)驗(yàn)是選用尚陽(yáng)通650V 80A TO-247 IGBT產(chǎn)品,型號(hào)為SRE80N065FSUD8T-G按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行秒級(jí)功率循環(huán)測(cè)試。設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件為：TC=50℃，ΔT≥100℃，Tjmax=150℃，周期為15000Cyc。
圖1 器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及測(cè)試平臺(tái)示意圖
根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ECPE Guideline AQG324，秒級(jí)功率循環(huán)測(cè)試曲線圖如圖2所示；其中，Tvjmax/Tvjmin是最大/最小虛擬結(jié)溫，通過小電流下飽和壓降法測(cè)得；Tcmax/Tcmin是最大/最小殼溫，ton是開通時(shí)間，即被測(cè)器件通過負(fù)載電流IL加熱到指定結(jié)溫的時(shí)間；toff是關(guān)斷時(shí)間，即被測(cè)器件切斷加熱電流后，通過外部水冷使器件結(jié)溫下降的時(shí)間；tcycle是單次功率循環(huán)的周期，為開通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff的和，即tcycle =ton+toff。
圖2 秒級(jí)PCsec測(cè)試電流與溫度曲線
根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)AQG324，焊接IGBT器件的失效標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。按測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到15000次循環(huán)后停止實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)前500個(gè)循環(huán)內(nèi)會(huì)對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行調(diào)整，因此本次測(cè)試每次實(shí)驗(yàn)停止時(shí)循環(huán)數(shù)在15500次左右。
由于每個(gè)器件的飽和電壓或結(jié)到殼熱阻的不完全相同，為保證測(cè)試時(shí)器件的結(jié)溫的一致性，在實(shí)驗(yàn)初期會(huì)對(duì)每一個(gè)器件的柵極電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)以調(diào)節(jié)其功耗進(jìn)而調(diào)節(jié)結(jié)溫波動(dòng)。
圖3 通態(tài)壓降VCE在功率循環(huán)試驗(yàn)中的變化
圖3是負(fù)載電流下通態(tài)壓降VCE在功率循環(huán)試驗(yàn)中的變化，其中紅線是器件處于最高結(jié)溫時(shí)的通態(tài)壓降，稱為VCE(hot)，黑線為模塊處于最低結(jié)溫時(shí)的通態(tài)壓降，稱為VCE(cold)，從圖中可以看出，在功率循環(huán)中通態(tài)壓降幾乎保持恒定，保持在1.475V附近，這表示鍵合線沒有發(fā)生老化。需要說明的是，波形中的鋸齒狀是測(cè)試平臺(tái)水冷系統(tǒng)中水溫波動(dòng)造成的。
圖4 結(jié)溫Tj在功率循環(huán)試驗(yàn)中的變化
圖4是器件的Tj在功率循環(huán)試驗(yàn)中的變化，紅線為最高結(jié)溫Tjmax，藍(lán)線為最低結(jié)溫Tjmin，黑線為結(jié)溫波動(dòng)ΔTj。整個(gè)試驗(yàn)過程中，最高結(jié)溫和最低結(jié)溫均有約3℃的下降，而且在前6000個(gè)循環(huán)下降較快，6000次循環(huán)后較為穩(wěn)定，這是由于系統(tǒng)熱阻的降低造成的，熱阻的降低則是因?yàn)閮蓪訜峤缑娌牧希ń^緣導(dǎo)熱片和導(dǎo)熱硅脂）的接觸變好而引起的。
圖5 功率循環(huán)前后關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比