IGBT模块认证测试规范V2.0

1、精选文库 测试部 规范编码： 版本：V2.0 密级：机密 生效日期：2011.3 页数：40页 测试部测试规范 英威腾电气股份有限公司 IGBT模块认证测试规范 拟 制： 张广文 日 期：2011-03-07 审 核： 姜明 日 期： 批 准： 董瑞勇 日 期： 更改信息登记表 规范名称：IGBT模块认证测试规范 规范编码: 版本 更改原因 更改说明 更改人 更改时间 V2.0 规范升级 新拟制测试项目，升级原测 试项目内容及标准。 张广文 2011.3.7 评审会签区: 人员 签名 意见 日期 董瑞勇 吴建安 唐益宏 林金良 张波 1. 目的 2. 范围 3. 定义 4. 引用标准 5. 测

2、试设备 6. 测试环境 7. 测试项目 7.1规格参数比对 7.2封装结构测试 7.2.1封装外观检查 7.2.2封装外形尺寸测试 7.2.3基板平整度测试 7.2.4封装内部结构测试 7.3晶体管电特性测试 7.3.1集-射极耐压VCES测试 8. 11 12 12 7.3.2 IGBT集 谢极饱和压降 VCE(sat)测试 7.3.3 IGBT栅-射极阀值电压 VGE(th)测试 7.3.4 IGBT内置二极管正向压降 VF测试. 7.4 Ices和IR测试 7.5绝缘耐压测试 7.6高温电应力老化测试 7.7高低温老化测试 7.8 NTC热敏电阻特性测试 7.9驱动波形测试 7.9.1驱

3、动波形质量测试 7.9.2开通关断时间测试 7.9.3驱动电压幅值测试 7.9.4死区时间测试 7.10限流测试 7.11均流测试 7.12短路测试 7.13温升测试 7.14 IGBT晶元结温测试 数据记录及报告格式 13 14 15 16 18 20 21 22 22 23 25 26 27 28 29 30 34 36 40 IGBT模块认证测试规范 1. 目的 本规范主要从IGBT 检验IGBT模块各项性能指标是否满足标准和产品设计要求。 结构、电气性能、可靠性等方面全面评估IGBT模块各项性能指标。 2. 范围 IGBT 本规范规定的IGBT模块性能测试方法，适用于英威腾电气股份有限

4、公司 模块器件选型认可及产品开发过程中IGBT模块单体性能测试。 3. 定义 绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor):是由BJT(双极型三 极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件 兼有MOSFET的高输入阻抗和 GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降 低，载流密度大，但驱动电流较大。MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导 通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压 降低。 IGBT伏安特性：指以栅源电压 Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关 系曲线。

5、输出漏极电流比受栅源电压Ugs控制，Ugs越高，Id越大。它与GTR 的输出特性相似，分为饱和区、放大区和击穿特性三部分。在截止状态下的IGBT， 正向电压由J2结承担，反向电压由 J1结承担。如果无 N+缓冲区，则正反向阻断 电压可以做到同样水平，加入 N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平, 因此限制了 IGBT的某些应用范围。 IGBT转移特性：指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与 Ugs(th)时，IGBT处于关 断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内, Id与Ugs呈线性关系。最咼 栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为 15V左右。 MOSFE

6、T的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压 IGBT处于导通态时，由于 IGBT开关特性：指漏极电流与漏源电压之间的关系。 它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构, 但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。 通态电压Uds(on)可用下 式表示: 1V。 Uds(o n) = Uj1 + Udr + Id*Roh 式中：Uj1 JI结的正向电压，其值为0.7 Udr 扩展电阻Rdr上的压降。Roh沟道电阻。 通态电流Ids可用下式表示: Ids=(1+B pnp )*lmos 式中：Imos 流过MOSFET的电流。 由于N+区存在电导调制效应，

7、所以IGBT的通态压降小，耐压1000V的IGBT通 态压降为23V。IGBT处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。 平整度：物体表面凹凸不平及厚薄不均的程度。 热阻(Thermal Resista nee):在热平衡条件下，两规定点(或区域)之间温度差与 产生这两点温度差的耗散功率之比。结壳热阻为半导体器件结温和管壳规定点的 温度差与器件耗散功率之比，散热器热阻为散热器上规定点和环境规定点温度的 差与产生这两点温差的耗散功率之比。 紧固力(Tighten Pressure):保证电力半导体器件与散热器具有良好热接触的组装 压力/力矩。 4. 引用标准 GB 02900.32-1994-T电工术

8、语电力半导体器件 GB 04586-1994-T半导体器件 分立器件 第8部分：场效应晶体管 GB 04587-1994-T半导体分立器件和集成电路第7部分：双极型晶体管 GB 04589.01-2006半导体器件 第10部分：分立器件和集成电路总规范 GB 04937.01-2006-T半导体器件机械和气候试验方法 第1部分：总则 GB 04937.02-2006-T半导体器件机械和气候试验方法 第2部分：低气压 GB 13974-1992-T半导体管特性图示仪测试方法 GB 14113-1993-T 半导体集成电路封装术语 GB 19403.01-2003-T 半导体器件 集成电路 第11

9、部分: 第1篇：半导体集成电 路 内部目检（不包括混合电路） 5.测试设备 BJ4822智能大功率图示仪 （北京无线电仪器厂） 34972A安捷伦数据采集仪 （美国安捷伦科技有限公司） DSO 5014A安捷伦示波器 （美国安捷伦科技有限公司） SD-089电子数显卡尺（上海量具刃具厂） CS9932B综合安规测试仪（南京长盛仪器有限公司） KMH-1000RL5型可程式快速温变湿热箱（科明科技有限公司） QTT-80L可程式湿热箱（深圳市环亚科技有限公司） 1147A电流探头（美国安捷伦科技有限公司） i1000S电流探头（美国福禄克国际公司） PT-8010咼压差分探头（台湾品质） 6.

10、测试环境 室温环境: 湿热环境: 85 C, 85% 咼温环境 1： 85 C 高温环境 2： 120C 低温环境: 7. 测试项目 测试项目清单 规格参数比对 NTC热敏电阻特性测试 封装结构测试 驱动波形测试 晶体管电特性测试 限流测试 Ices和IR测试 绝缘耐压测试 ?均流测试 ?短路测试 高温电应力老化测试 ?温升测试 咼低温老化测试 ? IGBT晶元结温测试 7.1 规格参数比对 7.1.1参数比对目的 对于可以相互替代或应用于同一功率等级的 IGBT模块，根据厂商规格书对不同 厂商不同型号模块参数进行对比，通过对比规格参数差异确保模块替代选型满足产品 设计要求。 7.1.2参数比

11、对方法 对于可以相互替代的模块，根据IGBT模块参数对比数据表中的参数，将各个厂 商参数值及测试条件分别填写在对应参数栏中。若某些参数只在某一方厂商规格书中 体现，则无此参数的其他厂商对应规格栏填写“-”具体数据记录格式请参见 附表 1.IGBT模块参数对比数据表。 7.1.3参数对比判定标准 参数对比需要同时满足以下条件方为合格 Ptot、 IGBT的关键参数，替代器件规格不得低于被替代器件规格。关键参数为: Vce（sat）/Vf、Vces/Vr、Ices/Ir、Ic、Icm、Isc、Rth。其余参数综合评估。 所有厂商器件规格均应在产品设计要求规格内。 7.2封装结构测试 测试目的 对I

12、GBT模块外形尺寸、基板平整度、内部结构等封装规格进行测量检查，确认 IGBT模块封装规格是否与厂商宣称规格一致，或符合我司新器件规范要求。 测试细项 封装外观检查 封装外形尺寸测试 基板平整度测试 封装内部结构测试 7.2.1封装外观检查 7.2.1.1测试方法 注：测试前，需记录反应模块特征的整体图片 （模块丝印前上方45角拍摄记录）。 在室温（25 C戈C）下，使用20X放大镜下观察封装外观丝印是否清晰、模块引 脚镀层是否氧化、生锈。模块封装壳体结构是否存在形变缝隙，如有缝隙需要使用厚 薄塞规量测缝隙大小。在完成基板平整度测试及模块老化测试后，重新量测模块以上 尺寸参数。此过程要求对模块

13、进行前视、后视、左视、右视、俯视以及底部视角进行 拍照留底，具体数据填写格式参见附表2.IGBT模块封装测试数据记录表。 7.2.1.2判定标准 封装外观检查需要同时满足以下要求方为合格: 封装外观丝印清晰且标识的规格、品牌、封装信息等与厂商规格书一致。 模块引脚镀层光洁无氧化、生锈。 模块外观在放大镜下观察无明显形变。 样品老化测试前封装无缝隙，老化后封装缝隙宽度 （2mm且缝隙长度 10mm 7.2.2封装外形尺寸测试 7.2.2.1测试方法 在室温（25C 2 C）下，使用数显卡尺量测IGBT模块的封装外形尺寸，量测内 容包括IGBT模块封装的长、宽、厚、安装孔位置尺寸、安装孔位直径、引

14、脚位置尺 寸、引脚高度、引脚直径以及厂商规格书上所标注的其他外形尺寸。在完成基板平整 附表 度测试及模块老化测试后，重新量测模块以上尺寸参数。具体数据填写格式参见 2.IGBT模块封装测试数据记录表 。 7.2.2.2判定标准 封装外形尺寸应同时满足以下要求方为合格: 模块规格书中安装尺寸、引脚定义以及引脚截面积符合电路板设计要求。 模块规格书中引脚定义与替代模块引脚定义一致，且引脚截面积不低于产品设计 规格，及跟替代模块引脚截面积相近（满足载流能力）。 在室温以及老化测试后，模块外形尺寸均在厂商规格书宣称公差范围内。 7.2.3基板平整度测试 7.2.3.1测试方法 在室温（25 C 2C）

15、下，使用散热膏涂抹工装在IGBT模块基板上均匀涂抹散热 膏，散热膏的厚度不超过500卩m，推荐300卩m。依据IGBT模块固定所使用组合螺 丝型号，设定扭力电批/扭力螺丝刀力矩将IGBT模块固定在标准散热器上。按照模块 规定的紧固力矩和紧固顺序安装模块，所有螺丝紧固分为按照以下步骤进行: 按照要求紧固顺序及紧固力矩对所有螺丝进行预紧。 按照要求紧固顺序及紧固力矩将所有螺丝打紧固定。 所有螺丝打紧后确认模块处于紧固状态，按照规定的紧固力矩和紧固顺序按照以 下步骤拆除模块。 按照要求紧固顺序及紧固力矩对所有螺丝预松。 按照要求紧固顺序及紧固力矩将所有螺丝取下。 扭力电批/扭力螺丝刀紧固与拆除力矩设

16、置请参见表一：力矩参照表。 螺丝规格 紧固力矩 预松力矩 螺丝规格 紧固力矩 预松力矩 M3 6kgf cm 6kgf cm M5 28kgf cm 28kgf cm M4 14kgf cm 14kgf cm M6 48kgf cm 48kgf cm 表一：力矩参照表 模块拆除后，将模块基板底部向上与散热器对应固定区域并排放置。 将1cm2网格 工装放置于该区域上方进行拍照，具体放置方式如图1：模块平整度测试对比图所示。 4 ，7迸瓷輕 F J 囂I h, G-r心g瘫矗is 按照要求紧固顺序及紧固力矩采用标准紧固力矩电批, 对模块进行反复20次紧固 图1模块平整度测试对比图 拆除操作，对模块

17、进行紧固力测试。紧固力测试期间，对模块及散热器不需要重新涂 抹散热膏及拍照，测试过程可以更换紧固螺丝但不得更换模块样品。 在完成反复20次紧固拆除后，擦去模块及散热器上残留散热膏。重新为模块涂抹 散热膏，并按照要求紧固顺序及紧固力矩重新紧固和拆除模块。模块拆除后，将模块 基板底部向上与散热器对应固定区域并排放置。将1cm2网格工装放置于该区域上方进 行拍照，测试过程中数据及图片填写格式参见附表2.IGBT模块封装测试数据记录表 。 1232判定标准 基板平整度测试要求同一模块完成测试全部步骤后同时满足以下要求方为合格: 功能性能正常。 外观及封装尺寸仍符合要求。 基板与散热器导热硅脂接触面积必

18、须大于总体基板面积 80%。内部晶圆集成区域 对应基板位置与散热器导热硅脂接触面积应大于晶圆面积 2倍。 724封装内部结构测试 7.241测试方法 完成本规范要求的其他测试项目后，在室温（25C 2 C）环境下，使用专用工具 将IGBT模块外壳封装去除。模块外壳封装去除过程中，应避免破坏模块内部引线。 模块外壳封装去除后，对内部结构图进行拍照留底。拍照要能够详细反映模块内部晶 圆布局、绑定线及晶元拓扑方式和走线工艺布局，并且需要与同类型其他厂商内部结 构图片进行对比分析。晶圆布局对比拍照示例如图 2:模块晶圆布局图所示。 w型上桥 下桥 、 一:FWD；也 4 r 4 、f 2呼丙目 二FW

19、 J_. 相卞桥vSFWD桥/二：u 下桥k !WD-4-FWD :虑珥 FWD 二4 jaK h a fw相上桥 W相下桥 h IGBT V相上桥丄十丄工 IGBT V相下桥 IGBT U相上桥 IGBT iPi r fj :相下g 相卞Q 卜！ IGBI .- IGBT 二 r i riL I ； lU ,、卡* WWtl I 11 III 1 Im”* V相上桥上 八 上W相下桥卫LFWD. Agilent Ttch Hlogivi u小 I 5 0OW 打膺 r I.DChjs r -3 9V WED OCT 1316:3314 2010 誓 33 曲1 OOOS/H 9.38V fR

20、 审 r rrv 图8 IGBT关断波形下降时间 7.9.3驱动电压幅值测试 7.9.3.1测试方法 在室温（25 C 2C）环境下，将IGBT模块装配在相应功率等级的变频器上测量 IGBT开通、关断驱动电压幅值测试可以在IGBT驱动波形测试的过程中进行，记录波 形的Top与Base,即为IGBT开通驱动电压幅值与关断驱动电压幅值。测量变频器在 正常运行时载频为缺省载频，负载分别为电机空载、满载、 限流状态下的IGBT开通、 关断驱动电压幅值，并记录测量值。具体数据记录格式请参见 附表6.驱动波形测试数 据记录表。 测试过程中需要注意以下事项: 用示波器测量波形时，要使探棒回路面积尽量小。 如

21、果同时测量上下桥驱动电压幅值，必须使两个测量通道之间相隔离。 抓取波形时，示波器横轴时间轴设为1uS/div，纵轴幅值轴设为5V/div。 7.9.3.2判定标准 13.0V Top 16.0 V、-12V Base . -aaw Scufte Measure Min CToar Mobs ThtstiollSs Vce满足: :2 D000V 0 50. OAZ i 200VZ I 5 ODV/ I 2aov/ F 9590(!5.000S/ Stop J 2 94V 论上可等效为：Vce（上桥）=Vce（下桥）=1/2x Vpn（母线）。如图15-16所示: 图14短路Vge波形 短路测试

22、中，注意短路 Vce电压波形，短路过程中如果流过IGBT的电流足够大 时，会使IGBT进入主动工作区，这种状态下IGBT的Ic电流完全饱和，即短路电流 不会随短路时间的增加而继续上升。在主动工作区时短路 Vce（上桥）+Vce（下桥）=V pn（母线） 在上式关系下，如果IGBT晶元本身性能及IGBT封装工艺相差不大的情况下，在理 Source 1 适 SeiMl 1甸ensureI Cleflr 1 Threshold? 1 1Max 1IWax1 Meas 1 何吨1 0 -0口00八 图15 IGBT进入主动区的短路 Vce波形 Me刈2 f Mm蝴 1 ): H5越 THU SEP D

23、a 10:3D39 2010 图16 IGBT进入主动区的短路 Vce波形 大- 3： Agilont TachnDlDgiBS 刨 70.0A/ Q 250V/ Z.5DIV/ B ?S0V/ 谛 8 5O0E S.OOOffZ 河酵测恒I ? I諛普盖I丄書_鑒 短路测试应包括三相输出两两之间的相间短路以及每相对地短路。每次短路测试 至少进行5次，测量并记录短路电流的最大值以及短路电流上升时间等。具体数据记 录格式请参见附表8.IGBT模块短路测试数据记录表。 测试过程中需要注意以下事项: 短路测试时，变频器有可能会炸机，需要使用防护罩将测试样机隔离，人不要离 变频器太近。 测量短路电流上

24、升时间时，IGBT保护关断是以短路电流下降为依据的，但应注 意区分模块短路自限流功能造成的短路电流下降、 IGBT保护关断造成的短路电 流下降及IGBT在保护关断之前恰碰到窄脉冲关断造成的短路电流下降。 短路试验时，使用示波器的通道比较多，而现有示波器通道多数为共地模式，要 防止各信号通道间的相互干扰。建议测试设备电源隔离处理。 7.12.3判定标准 短路电流上升时间W 10卩S（相间短路）;且短路电流峰值Iscw K*（Vge-Vth） 2,方为 合格。 式中K为常数，可根据模块规格书中Isc测试条件（Vge、Vth取最大值）计算得出; Vge为实测短路门极驱动电压 Max值; Vth为实测

25、IGBT晶元阈值电压 Max值。 当1.15U+ U 0.9Vces时判定为合格，否则不合格。 式中U=变频器的额定母线电压; U= Vce峰值-实验中的变频器母线电压值; Vces= IGBT数据表给出的参数。 IGBT在主动工作区域内工作时， 短路电流流过的上下桥 Vce相差小于300V为合 格，否则不合格。 短路测试 Vge电压须符合：-20VW Vgew +20V 注：短路电流上升时间是指从短路电流开始上升到 IGBT开始保护关断的时间，具体 示例如图17所示: TochnologiDE 旷2 a刃 5,00V/ M3N JAN la 1G24S9 2010 尋-彳劄曲 为保证输出转矩

26、稳定，待测变频器设定为矢量运行（开环或闭环） 加载用的变频器设定为闭环矢量运行，运行频率设为 0Hz,转矩上限设定方式选 择为模拟量给定（AI1或AI2），由信号发生器给定; 设定信号发生器，选定方波输出，根据待测变频器的输出电流，调节最大值、最 小值、周期为300S（ 5mins），占空比设定为 20%。如图21所示: ? 00V/ II iqEZw的?皿血1stop T； * SourceISelect: 1IDuly Mimi j2.57V 仙 easufE Duty DuttfO ): 20 .0-!d III. Threshalds 图22信号发生器输入脉冲波形 图22为待测变频器周

27、期性过载时的输出电流波形: bOO.Qr/ Stop Roll 1 i f 1 1 1, 1 1 1 1 1 I 1 OutyC KNo sisnsl llRMSil r 12.23A lll l|ll II pl I IJI Ip I !|1 hI IJ I. 图23过载电流波形 Tc_nor . 对于15KW以上的变频器用励磁电机或电感，按下述方法进行过载时的温升测试: 在默认载频，带额定负载，温度稳定后，测量模块基板边缘的温升 在上述基础上，变频器不停机：若带励磁电机，缓慢调节励磁电流，使输出电流 在120%变频器额定电流，持续 10mi ns;然后再增大励磁电流（调节时间在 25S 内

28、，防止变频器跳 0C）,使输出电流在150%变频器额定电流，持续 30S,记录 此时模块基板边缘的最大温升 Tc_OVE ；（备注：整个过程中不能出现停机） 流，记录此时模块基板边缘的最大温升 TC OVE 然后急停机，调节电 150%变频器额定电 在第一步基础上，若带电感，采用VF控制方式，调节电机额定电压和电机额定 频率，使输出电流在 120%变频器额定电流，持续 10mi ns ； 机额定电压或电机额定频率（时间尽可能短）使输出电流在 7.14.3损耗及结温计算 计算IGBT的损耗: PgBTRondJGBTFSw, IGBT 1 fsw (EonEoff)旦 I nom 1 Iom (

29、VcE0 2 Vdc Vnom Rce I2 亍)m cosMe。 I om 1 83 Rce I om) Rgbt : IGBT 损耗 PcondJGBT ：导通损耗 PsW，IGBT :开关损耗 VcEO、Rce : IGBT输出特性曲线, Ic f （VCE）近似为一条直线，VcE 0是横坐 标交点，Rce是直线斜率 I om :输出电流峰值 m辿 m :调制比Vdc （输出电压峰值除以母线电压，两象限变频器m近似为1） cos :输出功率因数 fsw :开关频率 Eon :规格书中注明IGBT在特定测试条件下, IGBT每次开通的损耗 Eoff :规格书中注明IGBT在特定测试条件下, IGBT每次关断的损耗 Inom :规格书中注明的特定测试条件，电流值 Vdc :变频器的母