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 高壓IGBT模塊抗潮濕和凝露的魯棒性設計

Eugen Wiesner*, K. Nakamura**, K. Hatori**[*三菱電機（歐洲）有限公司；**三菱電機功率器件制作所]


導 讀
針對不同的應用工況，例如潮濕或凝露，三菱電機持續提高功率器件魯棒性。
 一、引 言
電力電子系統有時會暴露在極端的環境條件下運行，比如灰塵、高溫高濕、振動或者含有化學物質的環境。由于應用領域和安裝位置的不同，周邊溫度和相對濕度的范圍很寬。

在某些礦用環境下，由于存在凝露、滴管或高壓噴水來抑制粉塵等，相對濕度可達[1]。

圖1：場限環區域凝膠極化原理

IGBT模塊作為電子電子系統的關鍵器件，希望能在如此惡劣的環境下運行。盡管關于溫度對功率半導體器件壽命影響的研究已經比較仔細，但是迄今為止都沒有考慮濕度的影響，這是因為沒有合適的壽命模型以及相應的濕度失效機理。濕度對殼式封裝高壓IGBT來說是尤為重要的一個參數，因為其非密封設計且半導體界面（比如鈍化層）存在高壓場強。所以有必要深入研究濕度失效機理且建立考慮濕度的壽命模型。

關于濕度和凝露對高壓IGBT可靠性的影響，三菱電機進行了相關研究，本文將對研究成果加以介紹。
二、濕度失效機理及壽命模型
機電遷移（ECM，Electromechanical Migration）和鋁腐蝕是濕度引起的功率半導體兩種可能的失效機理[2]。在種情況下（ECM），可以在芯片鈍化區域檢測到Cu或Ag的枝晶生長。在第二種情況下，場限環區域的鋁金屬鍍層會發生腐蝕。

上述兩種由濕度引起的失效機理都需要較長時間的影響，除此之外，三菱電機還發現并發表了另一種即使在較短的濕度或冷凝沖擊后也可能發生的失效機理[4]。在高壓下，由于內部凝膠發生極化，場限環上面的表面電荷積累會導致此類失效發生。圖1展示了場限環區域凝膠極化效應的原理。模塊內部吸收水分，會加速極化。由于極化，在場限環上面積累的表面電荷會導致器件的阻斷能力下降，終導致器件失效。

圖2：凝露發生后漏電流增加

這種現象可以通過發生凝露后漏電流增加來檢測。漏電流不會立即增加，施加電壓后，電流上升需要一定時間。圖2比較了在相對干燥條件下和發生凝露條件下漏電流的對比。

僅了解失效機理不足以確定功率器件是否可以在給定條件下運行所需的時間。因此，三菱電機提出了考慮濕度的壽命模型如下[2]：

LT是功率器件的估計壽命。系數πH，πT，πV是文獻[3]提出的加速因子。這些加速因子可以通過在不同條件下HV-H3TRB測試得到。LTb是基本壽命。可以通過將HV-H3TRB評估中使用的不同條件轉換為參考條件來計算，例如75%RH, 25℃和1500V（對3300V IGBT模塊）。

以下示例展示了3300V IGBT模塊濕度加速因子定義和計算的方法。步，濕度加速因子πH可以使用兩次HV-H3TRB測試的結果來計算。測試（測試A）在85%RH下進行，第二個測試（測試B）在95%RH下進行。

此計算使用了失效率F(t)=50%的威布爾分布值，兩種測試的其它參數（例如溫度和電壓）均保持相同。詳細的評估結果見下圖3。

圖3：3300V IGBT的HV-H3TRB測試結果

圖4：HV-H3TRB測試所得3300V IGBT的預估基本壽命

第二步可以用以下方法計算Peck模型的經驗因子x：

在后的第三步中，可以將HV-H3TRB評估的每個測試點轉換到參考條件下的值來定義基本壽命（LTb）。

來自不同HV-H3TRB測試的所有轉移點繪制到一個圖中，如圖4所示。那么從此威布爾分布圖就可以估算模塊在參考條件下的基本壽命，例如估算模塊累計失效率在10%條件下的基本壽命。

用戶可以通過建立的濕度壽命模型得到很多東西。例如，如圖5所示，可以在濕度和溫度關系圖中繪制IGBT模塊的壽命曲線，以研究溫度升高對壽命的影響。從圖5可以看出，如果絕對濕度保持不變，但是溫度變化對其壽命影響較大。在相同的絕對濕度下，即使溫度小幅提高4℃，器件壽命將延長30倍。因此，我們應特別注意變流器在低溫下的啟動。

圖5：溫度升高對功率模塊壽命的影響
三、IGBT模塊凝露測試方法
三菱電機在2015年提出了用于檢測功率器件抗凝露特性的測試方法[4]。在發生凝結之前，將功率模塊放入溫度為85℃和相對濕度為85％的環境箱中36小時。需要這段時間來確保濕度進入IGBT模塊內部的所有部件。功率模塊會像被濕氣“浸透”一樣。在環境箱中存儲后，使用環境箱外面的散熱器將測試樣品從85℃迅速冷卻至10℃。這種快速冷卻方法會導致功率模塊內部發生凝露。后，發生凝露后檢測漏電流變化，并將其與凝露前的特性進行比較。現場實際運行條件一般沒有上述凝露測試條件嚴酷。根據IEC 60721-3-5 5K2標準，快速溫度變化的預置條件是35℃和95％RH。然而在這種條件下使用常規方法進行測試將非常耗時。三菱電機提出了一種新的自動測試凝露方法，使用環境箱進行循環凝露測試[5]。這種自動測試有助于得出現場運行工況與嚴酷的實驗室測試工況之間的加速系數。提出的凝露測試順序如圖6所示。不采用散熱器從外部冷卻功率模塊，而是使用環境箱產生凝露。優點是可以更有效地、更快地獲得與常規測試相比較的結果。

圖6：循環凝露測試的測試順序
四、新高壓IGBT模塊技術
通過對現有功率模塊進行濕度影響研究，已經確定了其內部對濕度敏感的部分。選擇合適的硅凝膠和芯片鈍化層（場限環）的設計對器件的抗濕性有很大幫助，尤其是鈍化層結構的改進會顯著增強器件抗濕性。三菱電機發明的鈍化層表面電荷控制（SCC，Surface Charge Control）技術是提高功率器件可靠性的關鍵因素。它在場限環上方增加一個半絕緣層，如圖7所示。

圖7：表面電荷控制技術

半絕緣層避免了表面電荷的積累[6]。三菱電機新X系列高壓IGBT使用了SCC技術。

采用上述循環凝露測試對X系列功率模塊的抗凝露能力進行了測試，并將其與常規功率模塊進行比較。在評估常規功率模塊時，得到85℃/ 85％RH和36℃/95％RH之間的加速因子為80。將新X系列與傳統功率模塊在85℃/85％RH的條件下進行比較時，經測試確認抗凝露次數可以提高100倍以上。從這些測試結果中，可以得出，在IEC 60721-3-5 5K2參考條件下新X系列具有抗8000次凝露的魯棒性，參見圖8。

圖8：與傳統產品相比，X系列具有更好抗潮濕和防凝露能力
五、結 論
新的X系列高壓IGBT模塊提高了器件抗潮濕和抗凝露能力。本文建立的關于濕度的壽命模型的基本方法，將幫助用戶樹立在特殊環境下安全運行逆變器的信心。另一方面，即將到來的SiC功率模塊因為較小的結構和更新的材料，其抗濕度設計仍然具有挑戰性。我們相信，已經在硅IGBT中積累的經驗可以部分地用于SiC高壓功率模塊。


參考文獻
[1] DustinSelvey, “Overview of the Unique Requirements and Challenges for PowerElectronics in Mining Equipment” APEC, Long Beach, California, 2016.

[2] Y.Kitajima et al., “Lifetime Estimation Model of HVIGBT Considering Humidity”,PCIM Europe 2017, Nuremberg, Germany, 2017.

[3] C. Zorn and N.Kaminski, “Temperature Humidity Bias (THB) Testing on IGBT Modules at High BiasLevels”, CIPS 2014; Nuremberg, Germany, 2014.

[4] N.Tanaka, “Robust HVIGBT module design against high humidity”, PCIM2015.

[5] K.Nakamura, “The test method to confirm robustness against condensation”, EPE2019.

[6] S.Honda,T. Harada, A. Nishii, Z. Chen and K. Shimizu, “High voltage device edgetermination for wide temperature range plus humidity with surface chargecontrol (SCC) technology”, ISPSD 2016, Prague, 2016.

(原文發表在, 2019年11月刊)