IGBT模块：技术、驱动和应用课件：质量与可靠性

IGBT模块：技术、驱动和应用质量与可靠性IGBTModules–Technologies,DriverandApplication1IGBTModules–Technologies,DriverandApplication目录31245简介应用中的失效机理加速模型型式试验和常规试验提高负载周次能力的措施67寿命计算电压失效图片8宇宙粒子射线9小结2IGBTModules–Technologies,DriverandApplication简介功率器件的质量和可靠性是电力电子产品质量和可靠性的基础器件鲁棒设计的目标：计算寿命比客户预期的更长设计边界条件超出使用条件器件失效:突发失效渐变失效3关于器件失效的一些术语：简介IGBTModules–Technologies,DriverandApplication失效率λ:指N个元件在一定时间Δt内有n个发生失效。元件的失效率:以每十亿设备工时出现一例失效为正常标准，即FIT“失效时间”。平均失效间隔时间MTBF:

已知单独器件的FIT率，可以计算由这些器件组成系统的MTBF率百万分率ppm:在同一周期内生产的器件数量ndelivered和失效数量nfailed的比值43器件失效机理应用中的失效机理IGBTModules–Technologies,DriverandApplication5加速模型IGBTModules–Technologies,DriverandApplication加速模型:在较高的压力下和较少的测试时间内完成试验。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为:加速模型IGBTModules–Technologies,DriverandApplication加速模型测试流程7加速模型IGBTModules–Technologies,DriverandApplication温度变化曲线应用对象所在地的气候条件8加速模型IGBTModules–Technologies,DriverandApplication负载周期内的温度波动Δtop次数的分布9加速模型IGBTModules–Technologies,DriverandApplication某种应用条件下的周次测试，基于由气候因素引起的温度变化而推导出所需的测试周期的例子室外温度/℃-25-20-15-10-5051015202530每年的天数51010202530455050503535每天的负载周次222222222222每天的负载周次10202040506090100100100707015天内的负载周次150300300600750900135015001500150010501050

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

Top,max,Diode/℃126126126126126126126126126126126126

ΔTop,Diode/K15114614113613112612111611110610196nStress293521462814893936122011701004855506424909710加速模型IGBTModules–Technologies,DriverandApplication在一个循环实验中推导出测试周次

119型式试验和常规试验标准工业级IGBT模块类型和常规试验项目IGTBModules–Technologies,DriverandApplication测试项目型式试验常规试验测试项目型式试验常规试验集-射极电压Uce*sus×集-射极饱和电压UCEsat××集-射极电压UCES××集-射极漏电流ICES×栅-射极电压±UGES×输入电容Cies×RBSOA×输出电容Coes×SCSOA×反馈电容Cres×ESD电压UGE*(ED)×HTRB×栅极电流IC×HTGS×栅-射极阈值电压UGE(TO)××绝缘电压Uisol××栅-射极漏电流IGES××物理尺寸、电气间隙和爬电距离×开通损耗，能量Eon×基板尺寸×（×）关断损耗，能量Eoff×杂散电感×开通时间ton,td(on),tr×接线端子的鲁棒性×（×）关断时间toff,td(off),tf×TC（热周次）×热阻Rth(j-c)和热阻抗Zth(j-c)×PC（功率周次）×12型式试验和常规试验标准工业级IGBT模块质量测试项目IGBTModules–Technologies,DriverandApplication13型式试验和常规试验失效细节和相应测试的关系IGBTModules–Technologies,DriverandApplication14

目的：在最大工作结温时考察模块阻断80%~90%的标称电压的特性。

测试时间1000h。

方法：测量漏电流ICES型式试验和常规试验HTRB测试IGTBModules–Technologies,DriverandApplication15HTGS测试方法：测量栅极电流，测试时间1000h

焦点：IGBT的栅极氧化层型式试验和常规试验IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationH3TRB测试：在给定温度和湿度下，测试电压最高80V时，考察模块阻断电压的特性。方法：测量漏电流ICES，时间1000h焦点：IGBT的栅极钝化层16TST测试方法：在两个不同温度系统中交替存储，并定义了循环次数焦点：IGBT模块的封装和基板与DCB间的连接型式试验和常规试验IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationTC测试标准：热阻Rth(jc)焦点：

芯片和DCB之间的连接（芯片焊接层）以及DCB和底板的连接（系统焊接层）17TST测试和TC测试主要是考察不同材料连接的可靠性连接的两种材料的热膨胀系数相差越大，连接点在受热或冷却过程中所受的压力就越大。因此，要用CTE相近的材料连接以降低焊层分离的可能性。型式试验和常规试验IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationIGBT模块中不同材料的膨胀系数18由铜基板和Al2O3陶瓷组成的标准IGBT模块的TC测试示例型式试验和常规试验IGBTModules–Technologies,DriverandApplication19铜基板模块的TC曲线可以利用该曲线计算模块的大概寿命型式试验和常规试验IGBTModules–Technologies,DriverandApplication20PC测试通过施加负载电流，从而加热半导体。然后关闭电源使得系统迅速冷却，并满足一定数量循环周次焦点：

连接芯片和DCB的绑定线型式试验和常规试验IGBTModules–Technologies,DriverandApplication绑定线断裂绑定线从芯片的金属覆层上脱落失效机理21功率半导体的循环周次能力与开通时间ton密切相关型式试验和常规试验IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationPC测试曲线：估算芯片寿命22最大结温为125℃典型的循环周期模块自加热外部冷却PC测试条件：基于占空比的IGBTPC周次测试当IGBT工作时，由于模块内每层材料的热阻Rth不同，使得模块内部的温度梯度分布不同。提高负载周次能力的措施IGBTModules–Technologies,DriverandApplication23DCB：系统焊层的分离，总是从DCB的角落开始。避免在DCB的四角产生直角可以提高系统焊接层的负载周次能力插入凹纹：在DCB的覆铜层边缘引入特定的压痕来防止覆铜层的脱落，从而提高自身的负载周次能力。提高负载周次能力的措施IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationCTE值匹配在IGBT模块的开发过程中，保持组合材料之间的CTE值差异越低越好24提高负载周次能力的措施IGBTModules–Technologies,DriverandApplication低温连接（LTJ）内部各层的结构及连接材料A和B的结构25作压力40MPa持续时间60秒工作温度220℃工艺参数：采用焊接技术和低温连接技术两种模块的负载周次测试结果提高负载周次能力的措施IGBTModules–Technologies,DriverandApplication低温连接26方法：焊料与被焊接的金属表面反应形成合金相（承受更高的温度）材料：锡-银和锡-金合金目的：增加实际工作过程中的最大结温，从而增加负载周次能力提高负载周次能力的措施IGBTModules–Technologies,DriverandApplication芯片焊层的扩散焊接27新的焊接工艺和改善焊膏的成分可以增加负载周次能力提高负载周次能力的措施IGBTModules–Technologies,DriverandApplication提高系统焊接层工艺采用标准的系统焊接工艺与改进焊接工艺模块的实验对比28把陶瓷与基板直接连接是另一种增加TC负载周次能力的方法提高负载周次能力的措施IGBTModules–Technologies,DriverandApplication直接键合陶瓷到基板29基板和陶瓷之间的连接会受到限制，即直接连接单元的大小。提高负载周次能力的措施IGBTModules–Technologies,DriverandApplication直接键合陶瓷到基板30实际应用中，几个单元会通过模块的框架结构进行连接铜绑定线优于铝键合的两方面：相同的横截面，电流的容量增加；同时功率循环周次能力增加。提高负载周次能力的措施IGBTModules–Technologies,DriverandApplication铜绑定线采用铜键合工艺同时采用铜作为芯片表面金属覆层。31给定负载循环300s，据此计算损耗及计算相应的散热器温度、底板温度和结温。寿命计算IGBTModules–Technologies,DriverandApplication32IGBT寿命计算示例子480A11s425A10s740A2s0A0A0A直流母线电压为900VIGBT的开关频率为4kHz输出电流的基波频率为50Hz功率因数为1通过斜率转换确定外壳温差ΔTc寿命计算IGBTModules–Technologies,DriverandApplication33STEP1检查底板和DCB焊接连接的寿命根据温差可以从TC图（图14.9）获得相应的周次寿命计算IGBTModules–Technologies,DriverandApplication34STEP1检查底板和DCB焊接连接的寿命由于每个周期会使模块的寿命缩短，可根据下式计算相对周次整个负载周期是300秒，故整个模块的寿命为21167h寿命计算IGBTModules–Technologies,DriverandApplication35STEP2检查绑定线连接的寿命IGBT模块的pn结温升ΔTvj整个周期是300秒，所以整个运行寿命是12583小时寿命计算IGBTModules–Technologies,DriverandApplication根据PC周次（图14.12）和矫正因数或下式可确定周次数36STEP2检查绑定线连接的寿命周次，周次周次周次周次绑定点的缺陷

失效图片工艺与机械原因所致的失效图像IGBTModules–Technologies,DriverandApplication绑定线脱落a)典型绑定连接b)负载功率太大c)受力太大d)绑定区域太长

37绑定线错位

失效图片工艺与机械原因所致的失效图像IGBTModules–Technologies,DriverandApplication38连接杂乱定位不准键合脚超出DCB的铜表面绑定线断裂绑定线脱落

失效图片工艺与机械原因导致失效的图片IGBTModules–Technologies,DriverandApplication振动导致失效a)振动测试前的绑定线b)振动测试后的绑定线39过电流失效

失效图片电和热引发失效的示例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication温度过高引发失效过电压失效40芯片的金属复层熔化焊接磨损

宇宙粒子射线IGBTModules–Technologies,DriverandAppli