國產(chǎn)高可靠性IGBT器件的產(chǎn)品及可靠性介紹
針對UPS，光伏，充電樁等工業(yè)領域中IGBT應用的特點，國產(chǎn)IGBT廠商深圳尚陽通科技有限公司（下文簡稱”尚陽通”）深度分析客戶需求，在IGBT Chip設計階段采用先進的CS Trench FS技術結合小Pitch設計結構，實現(xiàn)了低通態(tài)壓降Vcesat與小開關損耗Eon+Eoff的優(yōu)秀平衡；并且在產(chǎn)品設計階段，針對逆變器應用場合選配全電流的FRED，以滿足嚴苛電網(wǎng)條件下的浪涌電流沖擊，并注重VF與反向恢復特性的平衡，使產(chǎn)品在中、大功率電力變換場合取得了良好的表現(xiàn)。
在IGBT單管應用領域，客戶為實現(xiàn)產(chǎn)品的功率最大化與設計成本最優(yōu)化，往往使用多管并聯(lián)的設計方案，此時對IGBT單管的均流特性是個嚴苛考驗。尚陽通IGBT開發(fā)團隊在設計階段從多方面考慮滿足客戶應用需求：其一，針對Vcesat采用正溫度系數(shù)，保證在多管并聯(lián)時IGBT在導通情況下，實現(xiàn)自動均流；其二，針對開關時的電流突變情況，在知名流片大廠的制造過程中對工藝條件流程的嚴苛把控，以實現(xiàn)閾值Vge(th)的分布集中化；其三，為增強產(chǎn)品的魯棒性，通過調(diào)節(jié)濃度減少基區(qū)電阻的設計，可實現(xiàn)產(chǎn)品在4~5倍額定電流下正常開關，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)品在惡劣運行環(huán)境與極端工況下，客戶除了對器件的開關性能關注外，還對器件的安全工作區(qū)和長期可靠性要求極高。除了可靠性測試滿足1000小時外，功率循環(huán)試驗也是考核IGBT器件封裝長期可靠性最重要的測試項目，通過加速老化過程可提前暴露可能的薄弱點，也是最能模擬器件在實際工作中的試驗項目。
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)分為秒級功率循環(huán)PCsec和分鐘級功率循環(huán)PCmin，其中秒級功率循環(huán)主要是針對鍵合線和芯片焊料層的熱應力，也是引起分離式IGBT器件特性變化 的主要失效點，其中器件內(nèi)部與測試平臺示意圖如圖1示。尚陽通IGBT單管在知名封裝大廠進行成品封裝時，通過對鍵合、焊料和塑封材料等環(huán)節(jié)實施嚴格要求，以達到成品高可靠性的目標。如下實驗是選用尚陽通650V 80A TO-247 IGBT產(chǎn)品,型號為SRE80N065FSUD8T-G按標準進行秒級功率循環(huán)測試。設定實驗條件為：TC=50℃，ΔT≥100℃，Tjmax=150℃，周期為15000Cyc。
圖1 器件內(nèi)部結構及測試平臺示意圖
根據(jù)國際標準ECPE Guideline AQG324，秒級功率循環(huán)測試曲線圖如圖2所示；其中，Tvjmax/Tvjmin是最大/最小虛擬結溫，通過小電流下飽和壓降法測得；Tcmax/Tcmin是最大/最小殼溫，ton是開通時間，即被測器件通過負載電流IL加熱到指定結溫的時間；toff是關斷時間，即被測器件切斷加熱電流后，通過外部水冷使器件結溫下降的時間；tcycle是單次功率循環(huán)的周期，為開通時間ton和關斷時間toff的和，即tcycle =ton+toff。
圖2 秒級PCsec測試電流與溫度曲線
根據(jù)國際標準AQG324，焊接IGBT器件的失效標準如表1所示。按測試標準實驗進行到15000次循環(huán)后停止實驗，由于實驗前500個循環(huán)內(nèi)會對試驗條件進行調(diào)整，因此本次測試每次實驗停止時循環(huán)數(shù)在15500次左右。
由于每個器件的飽和電壓或結到殼熱阻的不完全相同，為保證測試時器件的結溫的一致性，在實驗初期會對每一個器件的柵極電壓進行調(diào)節(jié)以調(diào)節(jié)其功耗進而調(diào)節(jié)結溫波動。
圖3 通態(tài)壓降VCE在功率循環(huán)試驗中的變化
圖3是負載電流下通態(tài)壓降VCE在功率循環(huán)試驗中的變化，其中紅線是器件處于最高結溫時的通態(tài)壓降，稱為VCE(hot)，黑線為模塊處于最低結溫時的通態(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試平臺水冷系統(tǒng)中水溫波動造成的。
圖4 結溫Tj在功率循環(huán)試驗中的變化
圖4是器件的Tj在功率循環(huán)試驗中的變化，紅線為最高結溫Tjmax，藍線為最低結溫Tjmin，黑線為結溫波動ΔTj。整個試驗過程中，最高結溫和最低結溫均有約3℃的下降，而且在前6000個循環(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，熱阻的降低則是因為兩層熱界面材料（絕緣導熱片和導熱硅脂）的接觸變好而引起的。
圖5 功率循環(huán)前后關鍵參數(shù)對比