IGBT模塊在高濕環(huán)境應(yīng)用失效的預(yù)防措施

引言

近年來，隨著我國(guó)政府對(duì)環(huán)境和氣候問題的持續(xù)關(guān)注，可再生能源得到了高速發(fā)展。綜合各省市數(shù)據(jù)，十四五期間光伏和風(fēng)電的規(guī)劃新增裝機(jī)容量超過527GW[1]。隨著累計(jì)裝機(jī)量的快速增加，北方地區(qū)可利用的優(yōu)質(zhì)可再生能源資源逐步減少。新增光伏和風(fēng)電裝機(jī)正向南方甚至是海上發(fā)展，面臨著高溫高濕等惡劣應(yīng)用環(huán)境的挑戰(zhàn)。IGBT模塊作為光伏逆變器和風(fēng)電變流器的“心臟”，需要在各種復(fù)雜工況下可靠工作20年。由于水分子的導(dǎo)電性和腐蝕性，高濕環(huán)境對(duì)功率半導(dǎo)體器件的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行有著非常大的負(fù)面影響。根據(jù)過去大量不同應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)IGBT失效信息統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)在其他外部條件類似時(shí)，雨季的失效率明顯突出。所以當(dāng)使用IGBT的設(shè)備需要長(zhǎng)期工作在高濕環(huán)境中，在設(shè)計(jì)階段就考慮足夠的失效預(yù)防措施是必要的。

那么什么樣的環(huán)境算是高濕，高濕環(huán)境又是如何影響IGBT的可靠性？我們先來共同回顧一些基本概念。

絕對(duì)濕度，相對(duì)濕度，凝露

絕對(duì)濕度也就是單位空氣中所含水蒸汽的質(zhì)量，它是大氣干濕程度的一種物理表達(dá)方式，通常用1立方米內(nèi)空氣中所含有的水蒸氣的質(zhì)量來表示。絕對(duì)濕度不容易直接測(cè)量，實(shí)際使用比較少。相對(duì)濕度，指空氣中水汽壓與相同溫度下飽和水汽壓的百分比。或濕空氣的絕對(duì)濕度與相同溫度下可能達(dá)到的最大絕對(duì)濕度之比。相對(duì)濕度越大，說明水汽越接近飽和。RH=100％時(shí)，水汽達(dá)到飽和。需要注意，絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度并非一成不變，而是都會(huì)受到氣壓和溫度的影響而產(chǎn)生變化。如圖1所示。氣壓越低，溫度越高，絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度就越低。

圖1：密閉系統(tǒng)中濕度與溫度、氣壓關(guān)系

當(dāng)空氣中的水蒸氣從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，會(huì)在物體表面形成凝露或是在低溫狀態(tài)下以水霧形式存在。產(chǎn)生凝露時(shí)物體表面的溫度稱為露點(diǎn)溫度。下圖2展示了相對(duì)濕度，空氣溫度和露點(diǎn)三者之間的關(guān)系。在一定的氣壓和濕度條件下，如果局部的空氣或物體表面溫度低于露點(diǎn)溫度，冷凝就會(huì)在該區(qū)域發(fā)生。

圖2：基于馬格納斯方程的露點(diǎn)溫度表

假設(shè)空氣溫度為20℃，相對(duì)濕度為60%，那么物體表面溫度低于12℃時(shí)，就可能出現(xiàn)凝露，空氣溫度與露點(diǎn)溫度相差8℃。

若空氣溫度為30℃，相對(duì)濕度為90%，那么物體表面溫度低于28℃時(shí)，就有結(jié)露的風(fēng)險(xiǎn)?？諝鉁囟扰c露點(diǎn)溫度相差只有2℃。

可以看出，在相對(duì)濕度高的環(huán)境中更容易出現(xiàn)凝露的現(xiàn)象。

IGBT模塊滿足的氣候標(biāo)準(zhǔn)

賽米控出品的大部分IGBT模塊滿足IEC60721-3-3標(biāo)準(zhǔn)中的3K3氣候等級(jí)。在溫度和氣壓范圍之外，3K3氣候等級(jí)標(biāo)定了5%-85%的相對(duì)濕度范圍，不容許冷凝的形成。而且，3K3也對(duì)絕對(duì)濕度規(guī)定了最高25g/m3的限定值。

IEC60721-3-3標(biāo)準(zhǔn)使用了氣候圖表來定義允許的溫度和濕度范圍。雖然3K3等級(jí)允許的溫度范圍只是從5℃-45℃（如圖3中紅線范圍所示），大部分賽米控產(chǎn)品可以應(yīng)用在更寬泛的溫度范圍（參見圖3藍(lán)線）。因此，賽米控產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中對(duì)于氣候等級(jí)的描述會(huì)是“調(diào)整過的3K3”或是“溫度范圍拓展的3K3”。

圖4：IEC60721-3-3 3K3對(duì)應(yīng)溫度圖表

從圖4的溫度圖表我們可以觀察到，氣候等級(jí)的設(shè)計(jì)初衷是避免高空氣溫度和高相對(duì)濕度同時(shí)出現(xiàn)。IGBT模塊在認(rèn)證過程中必須要通過高溫/高濕反偏測(cè)試（H3TRB）,但是在實(shí)際應(yīng)用中這樣的環(huán)境條件對(duì)IGBT來說會(huì)造成非常大的應(yīng)力，應(yīng)該盡量避免。

高濕度是如何影響IGBT可靠性的？

現(xiàn)代的工業(yè)IGBT模塊都會(huì)有個(gè)塑料外殼提供一定的機(jī)械防護(hù)。在殼體內(nèi)部灌注有透明的軟硅膠包裹住IGBT及二極管芯片來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體間的絕緣防護(hù)。需要注意的是，這樣設(shè)計(jì)的IGBT模塊并不具有氣密性。外部的氣體仍然可以通過功率端子及輔助端子與殼體的空隙進(jìn)入模塊內(nèi)部。

在潮濕環(huán)境中水分子會(huì)像之前介紹的一樣慢慢滲透進(jìn)硅膠并產(chǎn)生如下效應(yīng)：

1.降低阻斷電壓：硅膠中的水分子會(huì)聚集到模塊內(nèi)部溫度相對(duì)更低的區(qū)域，如DCB，端子或是IGBT芯片表面。而在帶電的芯片表面，水分子會(huì)在電場(chǎng)中隨機(jī)排布（見圖5）。這會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體芯片邊緣終端電場(chǎng)分布不均，從而導(dǎo)致阻斷能力下降。

2.導(dǎo)致半導(dǎo)體腐蝕：在水分子和電壓的持續(xù)作用下，芯片邊緣鈍化層會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕直至擊穿失效。腐蝕效應(yīng)是一種相對(duì)緩慢且長(zhǎng)期的過程。

圖5：水分子在模塊內(nèi)部聚集在芯片表面

遺憾的是，如果應(yīng)用保護(hù)電路動(dòng)作不夠及時(shí)，由于絕緣降低或電壓擊穿后IGBT經(jīng)常會(huì)損毀非常嚴(yán)重，濕氣進(jìn)入模塊內(nèi)部造成的失效很難找到直接證據(jù)。

賽米控的每一款模塊在發(fā)布之前都會(huì)經(jīng)過各種嚴(yán)苛的可靠性認(rèn)證測(cè)試。其中與濕度相關(guān)的是H3TRB測(cè)試，即高濕高溫反偏壓測(cè)試，它是驗(yàn)證半導(dǎo)體模塊在高溫高濕環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定性的可靠性測(cè)試之一。上文我們介紹過，環(huán)境濕度會(huì)侵入模塊外殼、穿過硅膠到達(dá)芯片表面和鈍化層。這項(xiàng)測(cè)試可以模擬模塊在這種高濕度環(huán)境下的運(yùn)行情況，檢測(cè)出芯片鈍化層的薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)IEC60068-2-67標(biāo)準(zhǔn)，模塊樣品在規(guī)定的溫度85℃、相對(duì)濕度85%的條件下測(cè)試1000小時(shí)。測(cè)試電壓為阻斷電壓的80%，但限制在80V。限制電壓是為了避免測(cè)試中的模塊自發(fā)熱從而導(dǎo)致相對(duì)濕度的降低。

近年來，為了更加貼近實(shí)際應(yīng)用工況，一些IGBT模塊供應(yīng)商在H3TRB測(cè)試基礎(chǔ)上將反偏電壓提高到阻斷電壓的80%，但不設(shè)上限電壓，即HV-H3TRB（高壓高濕高溫反偏測(cè)試）。

模塊對(duì)潮濕環(huán)境耐受能力取決于芯片設(shè)計(jì)、模塊封裝技術(shù)和模塊的制造工藝。從圖6，圖7所示的濕度可靠性試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，大多數(shù)模塊失效位置是在芯片邊緣鈍化層，與前文分析一致。

圖6a：HV-H3TRB測(cè)試IGBT失效案例

圖6b：HV-H3TRB測(cè)試二極管失效

為了提高IGBT模塊在潮濕環(huán)境中的耐用性和可靠性，各家主流供應(yīng)商也在持續(xù)改進(jìn)芯片工藝設(shè)計(jì)。如圖7,8所示，英飛凌新的第四代IGBT芯片邊緣終端就采用了八場(chǎng)板的設(shè)計(jì)。對(duì)比之前四場(chǎng)板設(shè)計(jì)，場(chǎng)板數(shù)量上的增加可以使芯片邊緣電場(chǎng)更均勻的分布，從而可以有效防范水分子聚集而造成的電場(chǎng)不均。

圖7：IGBT4芯片邊緣終端，四場(chǎng)板設(shè)計(jì)

圖8：增強(qiáng)型IGBT4芯片邊緣終端，八場(chǎng)板設(shè)計(jì)

賽米控IGBT模塊中的反并聯(lián)二極管使用的是獨(dú)有專利技術(shù)的CAL（Controlled Axial Lifetime）二極管。近期賽米控也將二極管芯片邊沿與第一道場(chǎng)環(huán)之間的距離增大。新設(shè)計(jì)改變了該區(qū)域的電場(chǎng)分布，使得水分子電解的可能性降低，從而降低了邊緣終端腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

圖9：CAL二極管芯片邊緣終端增強(qiáng)設(shè)計(jì)

盡管IGBT廠商做了持續(xù)改進(jìn)以提高產(chǎn)品在高濕環(huán)境中的魯棒性，但可再生能源設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中實(shí)際遇到的潮濕程度和持續(xù)時(shí)間很難量化。如果用戶端可以通過合理設(shè)計(jì)來降低IGBT模塊失效風(fēng)險(xiǎn)，提升系統(tǒng)整體可靠性，又何樂而不為呢！

審核編輯 ：李倩