近些年是国内功率半导体器件迅猛发展的良好时机，国产半导体企业在MOSFET ，IGBT及SiC等产品领域的优秀表现吸引了越来越多的电力电子产品大厂的关注和应用。绝缘栅双极型晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）做为功率半导体器件领域中的一颗耀眼明珠，以其自身优越的性能在大、中功率产品中得到了广泛的应用。长期以来在逆变、变频等领域，国际IGBT大厂一直占领主导地位。随着国产IGBT性能的提高与可靠性的加强，目前IGBT单管在工业领料（如充电桩，逆变器，光伏等）已经有了一定规模的推广并得到了客户的认可。
针对UPS，光伏，充电桩等工业领域中IGBT应用的特点，国产IGBT厂商深圳尚阳通科技有限公司（下文简称”尚阳通”）深度分析客户需求，在IGBT Chip设计阶段采用先进的CS Trench FS技术结合小Pitch设计结构，实现了低通态压降Vcesat与小开关损耗Eon+Eoff的优秀平衡；并且在产品设计阶段，针对逆变器应用场合选配全电流的FRED，以满足严苛电网条件下的浪涌电流冲击，并注重VF与反向恢复特性的平衡，使产品在中、大功率电力变换场合取得了良好的表现。
在IGBT单管应用领域，客户为实现产品的功率最大化与设计成本最优化，往往使用多管并联的设计方案，此时对IGBT单管的均流特性是个严苛考验。尚阳通IGBT开发团队在设计阶段从多方面考虑满足客户应用需求：其一，针对Vcesat采用正温度系数，保证在多管并联时IGBT在导通情况下，实现自动均流；其二，针对开关时的电流突变情况，在知名流片大厂的制造过程中对工艺条件流程的严苛把控，以实现阈值Vge(th)的分布集中化；其三，为增强产品的鲁棒性，通过调节浓度减少基区电阻的设计，可实现产品在4~5倍额定电流下正常开关，避免Latch-up现象的发生。
由于IGBT器件处在电力产品的核心位置，产品在恶劣运行环境与极端工况下，客户除了对器件的开关性能关注外，还对器件的安全工作区和长期可靠性要求极高。除了可靠性测试满足1000小时外，功率循环试验也是考核IGBT器件封装长期可靠性最重要的测试项目，通过加速老化过程可提前暴露可能的薄弱点，也是最能模拟器件在实际工作中的试验项目。
由于功率循环过程中器件内部不同材料之间的热膨胀系数(Coefficients of Thermal Expansion ,CTE)不同，所引起的循环热应力是造成器件老化和失效的主要原因。其中，功率循环分为秒级功率循环PCsec和分钟级功率循环PCmin，其中秒级功率循环主要是针对键合线和芯片焊料层的热应力，也是引起分离式IGBT器件特性变化 的主要失效点，其中器件内部与测试平台示意图如图1示。尚阳通IGBT单管在知名封装大厂进行成品封装时，通过对键合、焊料和塑封材料等环节实施严格要求，以达到成品高可靠性的目标。如下实验是选用尚阳通650V 80A TO-247 IGBT产品,型号为SRE80N065FSUD8T-G按标准进行秒级功率循环测试。设定实验条件为：TC=50℃，ΔT≥100℃，Tjmax=150℃，周期为15000Cyc。
图1 器件内部结构及测试平台示意图
根据国际标准ECPE Guideline AQG324，秒级功率循环测试曲线图如图2所示；其中，Tvjmax/Tvjmin是最大/最小虚拟结温，通过小电流下饱和压降法测得；Tcmax/Tcmin是最大/最小壳温，ton是开通时间，即被测器件通过负载电流IL加热到指定结温的时间；toff是关断时间，即被测器件切断加热电流后，通过外部水冷使器件结温下降的时间；tcycle是单次功率循环的周期，为开通时间ton和关断时间toff的和，即tcycle =ton+toff。
图2 秒级PCsec测试电流与温度曲线
根据国际标准AQG324，焊接IGBT器件的失效标准如表1所示。按测试标准实验进行到15000次循环后停止实验，由于实验前500个循环内会对试验条件进行调整，因此本次测试每次实验停止时循环数在15500次左右。
表1 焊接IGBT器件失效标准
由于每个器件的饱和电压或结到壳热阻的不完全相同，为保证测试时器件的结温的一致性，在实验初期会对每一个器件的栅极电压进行调节以调节其功耗进而调节结温波动。
图3 通态压降VCE在功率循环试验中的变化 图3是负载电流下通态压降VCE在功率循环试验中的变化，其中红线是器件处于最高结温时的通态压降，称为VCE(hot)，黑线为模块处于最低结温时的通态压降，称为VCE(cold)，从图中可以看出，在功率循环中通态压降几乎保持恒定，保持在1.475V附近，这表示键合线没有发生老化。需要说明的是，波形中的锯齿状是测试平台水冷系统中水温波动造成的。
图4 结温Tj在功率循环试验中的变化 图4是器件的Tj在功率循环试验中的变化，红线为最高结温Tjmax，蓝线为最低结温Tjmin，黑线为结温波动ΔTj。整个试验过程中，最高结温和最低结温均有约3℃的下降，而且在前6000个循环下降较快，6000次循环后较为稳定，这是由于系统热阻的降低造成的，热阻的降低则是因为两层热界面材料（绝缘导热片和导热硅脂）的接触变好而引起的。
图5 功率循环前后关键参数对比
如图5所示，通过FT 测试对比器件经过功率循环前后件的关键参数，结果显示各参数无明显漂移，表征650V 80A IGBT顺利通过了15000次特定条件下（最高结温150℃，结温波动100K，开通时间2s）的功率循环试验，试验结束后键合线和焊料层并未发生明显老化的迹象。
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发表于 2020-11-20 20:24:42
