高压IGBT模块抗潮湿和凝露的鲁棒性设计

Eugen Wiesner*, K. Nakamura**, K. Hatori**[*三菱电机（欧洲）有限公司；**三菱电机功率器件制作所]


导 读
针对不同的应用工况，例如潮湿或凝露，三菱电机持续提高功率器件鲁棒性。
 一、引 言
电力电子系统有时会暴露在极端的环境条件下运行，比如灰尘、高温高湿、振动或者含有化学物质的环境。由于应用领域和安装位置的不同，周边温度和相对湿度的范围很宽。

在某些矿用环境下，由于存在凝露、滴管或高压喷水来抑制粉尘等，相对湿度可达[1]。

图1：场限环区域凝胶极化原理

IGBT模块作为电子电子系统的关键器件，希望能在如此恶劣的环境下运行。尽管关于温度对功率半导体器件寿命影响的研究已经比较仔细，但是迄今为止都没有考虑湿度的影响，这是因为没有合适的寿命模型以及相应的湿度失效机理。湿度对壳式封装高压IGBT来说是尤为重要的一个参数，因为其非密封设计且半导体界面（比如钝化层）存在高压场强。所以有必要深入研究湿度失效机理且建立考虑湿度的寿命模型。

关于湿度和凝露对高压IGBT可靠性的影响，三菱电机进行了相关研究，本文将对研究成果加以介绍。
二、湿度失效机理及寿命模型
机电迁移（ECM，Electromechanical Migration）和铝腐蚀是湿度引起的功率半导体两种可能的失效机理[2]。在种情况下（ECM），可以在芯片钝化区域检测到Cu或Ag的枝晶生长。在第二种情况下，场限环区域的铝金属镀层会发生腐蚀。

上述两种由湿度引起的失效机理都需要较长时间的影响，除此之外，三菱电机还发现并发表了另一种即使在较短的湿度或冷凝冲击后也可能发生的失效机理[4]。在高压下，由于内部凝胶发生极化，场限环上面的表面电荷积累会导致此类失效发生。图1展示了场限环区域凝胶极化效应的原理。模块内部吸收水分，会加速极化。由于极化，在场限环上面积累的表面电荷会导致器件的阻断能力下降，终导致器件失效。

图2：凝露发生后漏电流增加

这种现象可以通过发生凝露后漏电流增加来检测。漏电流不会立即增加，施加电压后，电流上升需要一定时间。图2比较了在相对干燥条件下和发生凝露条件下漏电流的对比。

仅了解失效机理不足以确定功率器件是否可以在给定条件下运行所需的时间。因此，三菱电机提出了考虑湿度的寿命模型如下[2]：

LT是功率器件的估计寿命。系数πH，πT，πV是文献[3]提出的加速因子。这些加速因子可以通过在不同条件下HV-H3TRB测试得到。LTb是基本寿命。可以通过将HV-H3TRB评估中使用的不同条件转换为参考条件来计算，例如75%RH, 25℃和1500V（对3300V IGBT模块）。

以下示例展示了3300V IGBT模块湿度加速因子定义和计算的方法。步，湿度加速因子πH可以使用两次HV-H3TRB测试的结果来计算。测试（测试A）在85%RH下进行，第二个测试（测试B）在95%RH下进行。

此计算使用了失效率F(t)=50%的威布尔分布值，两种测试的其它参数（例如温度和电压）均保持相同。详细的评估结果见下图3。

图3：3300V IGBT的HV-H3TRB测试结果

图4：HV-H3TRB测试所得3300V IGBT的预估基本寿命

第二步可以用以下方法计算Peck模型的经验因子x：

在后的第三步中，可以将HV-H3TRB评估的每个测试点转换到参考条件下的值来定义基本寿命（LTb）。

来自不同HV-H3TRB测试的所有转移点绘制到一个图中，如图4所示。那么从此威布尔分布图就可以估算模块在参考条件下的基本寿命，例如估算模块累计失效率在10%条件下的基本寿命。

用户可以通过建立的湿度寿命模型得到很多东西。例如，如图5所示，可以在湿度和温度关系图中绘制IGBT模块的寿命曲线，以研究温度升高对寿命的影响。从图5可以看出，如果绝对湿度保持不变，但是温度变化对其寿命影响较大。在相同的绝对湿度下，即使温度小幅提高4℃，器件寿命将延长30倍。因此，我们应特别注意变流器在低温下的启动。

图5：温度升高对功率模块寿命的影响
三、IGBT模块凝露测试方法
三菱电机在2015年提出了用于检测功率器件抗凝露特性的测试方法[4]。在发生凝结之前，将功率模块放入温度为85℃和相对湿度为85％的环境箱中36小时。需要这段时间来确保湿度进入IGBT模块内部的所有部件。功率模块会像被湿气“浸透”一样。在环境箱中存储后，使用环境箱外面的散热器将测试样品从85℃迅速冷却至10℃。这种快速冷却方法会导致功率模块内部发生凝露。后，发生凝露后检测漏电流变化，并将其与凝露前的特性进行比较。现场实际运行条件一般没有上述凝露测试条件严酷。根据IEC 60721-3-5 5K2标准，快速温度变化的预置条件是35℃和95％RH。然而在这种条件下使用常规方法进行测试将非常耗时。三菱电机提出了一种新的自动测试凝露方法，使用环境箱进行循环凝露测试[5]。这种自动测试有助于得出现场运行工况与严酷的实验室测试工况之间的加速系数。提出的凝露测试顺序如图6所示。不采用散热器从外部冷却功率模块，而是使用环境箱产生凝露。优点是可以更有效地、更快地获得与常规测试相比较的结果。

图6：循环凝露测试的测试顺序
四、新高压IGBT模块技术
通过对现有功率模块进行湿度影响研究，已经确定了其内部对湿度敏感的部分。选择合适的硅凝胶和芯片钝化层（场限环）的设计对器件的抗湿性有很大帮助，尤其是钝化层结构的改进会显著增强器件抗湿性。三菱电机发明的钝化层表面电荷控制（SCC，Surface Charge Control）技术是提高功率器件可靠性的关键因素。它在场限环上方增加一个半绝缘层，如图7所示。

图7：表面电荷控制技术

半绝缘层避免了表面电荷的积累[6]。三菱电机新X系列高压IGBT使用了SCC技术。

采用上述循环凝露测试对X系列功率模块的抗凝露能力进行了测试，并将其与常规功率模块进行比较。在评估常规功率模块时，得到85℃/ 85％RH和36℃/95％RH之间的加速因子为80。将新X系列与传统功率模块在85℃/85％RH的条件下进行比较时，经测试确认抗凝露次数可以提高100倍以上。从这些测试结果中，可以得出，在IEC 60721-3-5 5K2参考条件下新X系列具有抗8000次凝露的鲁棒性，参见图8。

图8：与传统产品相比，X系列具有更好抗潮湿和防凝露能力
五、结 论
新的X系列高压IGBT模块提高了器件抗潮湿和抗凝露能力。本文建立的关于湿度的寿命模型的基本方法，将帮助用户树立在特殊环境下安全运行逆变器的信心。另一方面，即将到来的SiC功率模块因为较小的结构和更新的材料，其抗湿度设计仍然具有挑战性。我们相信，已经在硅IGBT中积累的经验可以部分地用于SiC高压功率模块。


参考文献
[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.

(原文发表在, 2019年11月刊)