ESD防護(hù)在變流器功率單元組裝中的應(yīng)用

田紅緯 蔡 旭 陸震宇

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院電氣工程系，上海200240）

0 引言

隨著太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生綠色能源近些年的蓬勃發(fā)展，特別是風(fēng)力發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用，市場(chǎng)對(duì)風(fēng)電設(shè)備的需求越來(lái)越大。風(fēng)電設(shè)備制造過(guò)程中工藝控制對(duì)生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品的可靠性有重要影響。筆者在多年的風(fēng)電變流器的組裝制造和測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，電子控制元件及變流器關(guān)鍵元件IGBT的失效在生產(chǎn)過(guò)程中占到總變流器測(cè)試失效數(shù)量的50%；同時(shí)在對(duì)變流器功率單元失效模式的研究中發(fā)現(xiàn)，影響功率單元失效的原因除了IGBT本身的質(zhì)量和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)之外，生產(chǎn)過(guò)程中功率單元組裝的工藝控制也很重要。由于目前主流大功率IGBT質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定，相關(guān)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的研究和應(yīng)用也比較成熟，因此在工廠生產(chǎn)組裝測(cè)試過(guò)程中提高變流器IGBT功率單元測(cè)試通過(guò)率行之有效的手段就是生產(chǎn)工藝控制，而在實(shí)際組裝測(cè)試過(guò)程中，可靠的ESD防護(hù)則能有效地減少I(mǎi)GBT的損傷。

1 IGBT的ESD損傷機(jī)理

1.1 靜電的產(chǎn)生和危害

靜電和ESD伴隨著電子學(xué)的發(fā)展而發(fā)展，然而隨著電子元器件的尺寸越來(lái)越小、運(yùn)行速度越來(lái)越高，元器件對(duì)ESD的敏感性也逐漸增強(qiáng)。在現(xiàn)今電子環(huán)境中，ESD已在很大程度上影響了電子產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可靠性，盡管人們?cè)谶^(guò)去的幾十年采取了很多措施，但ESD還是持續(xù)地影響生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品可靠性。據(jù)有關(guān)專(zhuān)家統(tǒng)計(jì)，由ESD造成的損失占總損失的8%～33%，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失在10億美金左右。雖然單個(gè)二極管本身的價(jià)值可能很小，但是由于其失效造成的系統(tǒng)失效價(jià)值卻很高，而且這種失效往往還需要修理、返工。

ESD是指不同電勢(shì)的物體之間的電荷轉(zhuǎn)移。ESD可以造成半導(dǎo)體器件的電器特性退化或損毀，也可能擾亂正常運(yùn)行的電子系統(tǒng)，造成設(shè)備誤動(dòng)作或失效。靜電對(duì)電子器件的損傷可以發(fā)生在器件生產(chǎn)到產(chǎn)品應(yīng)用的任何環(huán)節(jié)，這主要是由于整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有采取切實(shí)有效的ESD防護(hù)措施。

ESD損傷通常可以分為致命失效和潛在失效2種：

（1）致命失效是指當(dāng)器件發(fā)生ESD后，元器件完全失去功能。其表現(xiàn)形式有金屬熔化、節(jié)點(diǎn)擊穿或氧化物失效，這些現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致器件內(nèi)部電路永久損傷，進(jìn)而造成器件失效。這些失效器件大部分可以在出廠前通過(guò)測(cè)試檢出，但在出廠后發(fā)生就會(huì)造成后續(xù)器件操作的失效。

（2）潛在失效是指檢測(cè)這種失效很困難，元件只是被ESD部分損傷，器件的功能雖然沒(méi)有喪失，但是器件的壽命、耐受性顯著減低。若這種器件被應(yīng)用到系統(tǒng)中，很可能會(huì)發(fā)生失效，且這種失效通常會(huì)帶來(lái)昂貴的維修費(fèi)用，甚至在某些情況下造成操作人員的人身傷害。對(duì)于器件的致命失效，可以通過(guò)相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備用基本功能測(cè)試的方法就可以檢測(cè)出。但是，基于現(xiàn)行的檢測(cè)技術(shù)和手段，潛在失效很難被檢測(cè)到，特別是那些帶有潛在損傷的元件被組裝到產(chǎn)品成品中后，就更難被檢測(cè)出來(lái)。

1.2 IGBT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

相對(duì)于MOSFET，IGBT在結(jié)構(gòu)上增加了一層P＋層，稱(chēng)為漏注入層，這樣整個(gè)單胞構(gòu)成了4個(gè)層結(jié)構(gòu)，并存在3個(gè)PN結(jié)。當(dāng)Uce＞0，Uge＞UT時(shí)，門(mén)極下面的半導(dǎo)體表面形成反型層，電子從N＋源區(qū)經(jīng)溝道流入N－漏區(qū)，使得緩沖層和漏注入層P＋之間的PN結(jié)更為正偏，于是P＋區(qū)往N－漏區(qū)注入空穴。這些空穴一部分是從溝道來(lái)的電子負(fù)荷，另一部分則由處于反偏的P發(fā)射極和n基極之間的PN結(jié)收集到亞溝道P＋區(qū)，這些載流子將顯著地調(diào)制N－漏區(qū)的電導(dǎo)率，從而降低器件的導(dǎo)通電阻，提高電流密度。

1.3 IGBT失效模式和ESD損傷

IGBT的失效模式包括：（1）電氣應(yīng)力損傷，即由于過(guò)電壓、過(guò)電流直接導(dǎo)致芯片的損壞；（2）熱應(yīng)力損傷，即由于過(guò)大的熱損耗直接造成芯片的損壞或由于溫度周期導(dǎo)致封裝材料的熱疲勞而造成的損傷；（3）機(jī)械應(yīng)力損傷，即由于外部環(huán)境導(dǎo)致芯片、封裝的直接破壞。其中，電氣應(yīng)力損傷包括關(guān)斷電流過(guò)大或者C－E電壓過(guò)高造成的超出RBSOA的損壞、靜電或尖峰電壓造成門(mén)極電壓過(guò)大的損壞、反復(fù)回復(fù)時(shí)的浪涌電壓過(guò)大或超過(guò)IGBT電壓造成的損傷等。根據(jù)近2年來(lái)32 316片IGBT的使用情況，IGBT的失效率為0.49%，前3位的失效模式分別為Desat、模塊爆炸和模塊短路。各種失效模式的失效率如圖1所示，IGBT爆炸后的圖片如圖2所示，IGBT短路造成的失效如圖3所示。

目前，業(yè)界都在追求IGBT尺寸的微型化，認(rèn)為尺寸越小越好。首先，IGBT尺寸減小，意味著其通道長(zhǎng)度縮短，通道的等效電阻也隨之減少，從而可以使更多電流通過(guò)。雖然通道寬度也可能隨之變小而讓通道等效電阻變大，但是如果能降低單位電阻的大小，那么這個(gè)問(wèn)題就可以迎刃而解。其次，IGBT尺寸變小意味著門(mén)極面積減少，如此便可以降低等效的門(mén)極電容。此外，越小的門(mén)極通常會(huì)有更薄的門(mén)極氧化層，從而使通道單位電阻值降低，雖然這樣會(huì)同時(shí)增大門(mén)極電容，但是相對(duì)于減少的通道電阻，其優(yōu)勢(shì)明顯大于劣勢(shì)，而器件在尺寸縮小后的切換速度也會(huì)加快。由于尺寸減小帶來(lái)的門(mén)極氧化層的厚度在不斷減少，所以門(mén)極電壓的上限也隨之變少，避免了過(guò)大電壓造成的門(mén)極氧化層擊穿。最后，由于IGBT面積減小，制造芯片的成本隨之降低，在同樣的封裝里可以裝下更高密度的芯片。目前，IGBT的保證值Vge一般最大為±20 V，在IGBT G－E之間外加超過(guò)保證值Vge的電壓時(shí)，IGBT的門(mén)極就有損壞的危險(xiǎn)，因此IGBT的門(mén)極對(duì)靜電是非常敏感的。圖4是IGBT被ESD損傷后的光學(xué)檢測(cè)圖片，在圖中我們可以清晰地看到被ESD擊傷的門(mén)極電路，有直接損傷、部分電路的損傷和由部分電路損傷造成的進(jìn)一步損傷。

圖1 IGBT在Burn－in中各失效模式的失效率

圖2 IGBT爆炸后的圖片

圖3 短路IGBT模塊（左：FWD，右：IGBT）

圖4 IGBT被ESD損傷后的光學(xué)檢測(cè)圖片

2 IGBT功率單元的ESD防護(hù)控制

2.1 功率單元的組裝過(guò)程及可能的失效模式

功率單元的組裝過(guò)程包括IGBT封裝模塊的準(zhǔn)備（即IGBT封裝模塊及驅(qū)動(dòng)電路板外包裝的拆除）和散熱器的清潔。在IGBT驅(qū)動(dòng)電路板焊接過(guò)程中，容易導(dǎo)致的失效模式有模塊轉(zhuǎn)移及其焊接過(guò)程中門(mén)極電路的ESD損傷、虛焊引起的過(guò)電流保護(hù)和過(guò)電壓保護(hù)電路工作異常等；散熱器模組組裝包括導(dǎo)熱膠的涂覆、散熱器與IGBT模塊的機(jī)械連接等，在該過(guò)程中容易導(dǎo)致的失效有由于扭力不當(dāng)引起的IGBT模塊與散熱器結(jié)合部過(guò)熱、導(dǎo)熱膠涂覆不均勻引起的模塊局部過(guò)熱、固定IGBT封裝和散熱器連接螺釘?shù)逆i定順序不當(dāng)引起散熱器或IGBT模塊彎曲度過(guò)大而造成的散熱異常、外力的機(jī)械損傷等。

2.2 功率單元組裝過(guò)程中的ESD防護(hù)

要對(duì)功率單元組裝過(guò)程采取ESD防護(hù)，首先要確定ESD環(huán)境控制的級(jí)別和區(qū)域，即在功率單元組裝過(guò)程中那些區(qū)域要進(jìn)行ESD防護(hù)以及采用什么級(jí)別的防護(hù)等。按照相關(guān)的行業(yè)文獻(xiàn)，參考MOSFET的防護(hù)要求，IGBT的防護(hù)電壓可選擇在0～1 999 V之間。在實(shí)際生產(chǎn)組裝過(guò)程中，與功率單元生產(chǎn)組裝相關(guān)的區(qū)域有IGBT封裝模塊庫(kù)存區(qū)、IGBT驅(qū)動(dòng)電路板焊接區(qū)、散熱模塊組裝區(qū)、靜態(tài)測(cè)試區(qū)、變流器功率單元組裝區(qū)及功率單元轉(zhuǎn)運(yùn)通道區(qū)。按照操作過(guò)程對(duì)IGBT ESD損傷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估得知，在IGBT驅(qū)動(dòng)電路板焊接區(qū)、散熱模塊組裝區(qū)ESD損傷的風(fēng)險(xiǎn)比較高，在生產(chǎn)中將其定義為A類(lèi)防護(hù)區(qū)域，參照ANSI／ESD20.20的要求，將A類(lèi)ESD防護(hù)區(qū)域的HBM（Human Body Model）定義為100 V，將其余區(qū)域定義為B類(lèi)區(qū)域，其HBM定義為1 000 V。

其次，ESD防護(hù)區(qū)域的接地措施對(duì)于ESD的防護(hù)效果有著非常重要的影響，在任何操作過(guò)程中有效的ESD接地都是至關(guān)重要的，所以ESD接地要明確地定義好。ESD防護(hù)的首要手段就是要給ESD保護(hù)材料、操作人員提供一個(gè)接地的通道，來(lái)消除產(chǎn)生的靜電電荷。操作環(huán)境中的所有帶電體都要通過(guò)接地體可靠接地或可靠連接，保持相關(guān)物體和操作人員之間的電位平衡。按照ANSI EOS／ESD的要求，首先要為工作區(qū)域的所有器件提供可靠接地，要求所有的接地都接到同一個(gè)接地點(diǎn)（共同接地點(diǎn)），以消除不同接地點(diǎn)之間的電位差。接下來(lái)要將共同接地點(diǎn)連接到設(shè)備接地點(diǎn)或者輔助接地點(diǎn)上，以消除工作區(qū)域內(nèi)材料和電氣設(shè)備之間的電位。

操作人員和移動(dòng)設(shè)備的ESD控制也是ESD防護(hù)措施中的重要組成部分。在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，操作人員一個(gè)簡(jiǎn)單的走路就可以產(chǎn)生幾千伏的靜電，如果操作人員不做正確的ESD防護(hù)，很容易通過(guò)HBM放電模式將身體攜帶的靜電傳導(dǎo)到靜電敏感器件上，造成器件損傷。同樣，移動(dòng)的小車(chē)也可在移動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生靜電并引起IGBT的損傷。通常通過(guò)佩戴與接地點(diǎn)連接的手環(huán)、穿戴靜電防護(hù)服和ESD鞋，來(lái)消除人體產(chǎn)生的靜電。小車(chē)等移動(dòng)設(shè)備的靜電可以通過(guò)ESD接地鏈來(lái)消除。對(duì)于ESD防護(hù)區(qū)來(lái)說(shuō)，ESD防護(hù)地面是必要的，可以通過(guò)ESD防護(hù)油漆地板、ESD地墊等來(lái)實(shí)現(xiàn)。ESD防護(hù)地面可以為人體腳環(huán)、ESD鞋、移動(dòng)設(shè)備的接地鏈提供可靠的接地通道來(lái)消除產(chǎn)生的靜電。在進(jìn)行與功率單元有關(guān)的操作時(shí)，要保證先讓人體和衣服所帶的靜電通過(guò)高電阻（1 MΩ）接地線放電后，再在ESD工作臺(tái)上進(jìn)行操作。

工作平臺(tái)的ESD防護(hù)措施可有效減少在驅(qū)動(dòng)電路板焊接及模塊靜態(tài)測(cè)試過(guò)程中的ESD損傷，所以在焊接和測(cè)試時(shí)一定要對(duì)工作臺(tái)采取相應(yīng)的ESD防護(hù)。在操作區(qū)域設(shè)置獨(dú)立工作臺(tái)可減少對(duì)ESD敏感器件的損傷。ESD工作臺(tái)包括具有靜電耗散性材料的桌面、夾具、電烙鐵、人員接地連接點(diǎn)、公共連接點(diǎn)、標(biāo)示和標(biāo)記等，圖5是一個(gè)典型的ESD工作桌面。桌面材料的電阻值要求在10E6～10E9Ω。錫焊過(guò)程中電烙鐵和烙鐵焊臺(tái)中泄露的靜電也是造成IGBT門(mén)極靜電損壞的一個(gè)重要原因，所以在實(shí)際應(yīng)用中烙鐵前端要用非常低的電阻接地。在將IGBT封裝從庫(kù)存區(qū)中轉(zhuǎn)到ESD防護(hù)操作臺(tái)時(shí)，也需要做好ESD控制。通常IGBT封裝用ESD防護(hù)包裝袋、ESD IC泡沫等材料進(jìn)行包裝，以防止運(yùn)輸過(guò)程中的ESD損傷。在功率單元驅(qū)動(dòng)板焊接的過(guò)程中，需要將IGBT封裝從包裝材料中轉(zhuǎn)移到工作臺(tái)上，在這一過(guò)程中應(yīng)采取必要的ESD保護(hù)措施對(duì)門(mén)極端子進(jìn)行保護(hù)，以消除在轉(zhuǎn)移過(guò)程中產(chǎn)生靜電對(duì)門(mén)極電路的ESD損傷，可以將IC泡沫包裝材料覆蓋在IGBT封裝控制端子側(cè)，并在操作過(guò)程中避免碰觸IGBT封裝的端子，尤其是控制端子。在驅(qū)動(dòng)板焊接之前，先用與公共接地點(diǎn)相連的帶有1 MΩ電阻的ESD鱷魚(yú)夾將IGBT封裝的集電極端短接，然后移除IC泡沫，再進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路板的焊接操作。

圖5 典型的ESD工作桌面

采取搭建局部潔凈房、控制環(huán)境溫濕度和潔凈等級(jí)的方法，可減少生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的靜電。靜電的產(chǎn)生與環(huán)境條件直接相關(guān)，根據(jù)相關(guān)生產(chǎn)測(cè)試中的歷史數(shù)據(jù)，在環(huán)境相對(duì)濕度低于45%時(shí)，IGBT的失效率會(huì)明顯上升。在環(huán)境控制中，一般將溫度保持在15～35℃之間，相對(duì)空氣濕度在55%～75%之間?？諝庵衅∥锔綆У撵o電通過(guò)接地方式很難消除，這些灰塵雜質(zhì)會(huì)給門(mén)極電路帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也會(huì)在導(dǎo)熱膠的涂覆過(guò)程中導(dǎo)致局部的熱阻改變。所以在功率單元組裝過(guò)程中，在驅(qū)動(dòng)電路焊接和散熱模塊組裝這2個(gè)關(guān)鍵區(qū)域搭建局部潔凈房是一個(gè)非常有效的防護(hù)手段。結(jié)合潔凈房來(lái)控制環(huán)境溫濕度效果會(huì)更好，潔凈房潔凈等級(jí)最好為百級(jí)。圖6為潔凈房的設(shè)計(jì)圖。

圖6 潔凈房的設(shè)計(jì)圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了IGBT功率單元ESD的損傷機(jī)理及防護(hù)措施。在采取ESD防護(hù)措施之前，IGBT功率單元在生產(chǎn)測(cè)試過(guò)程中的失效率（同時(shí)期內(nèi)失效模塊數(shù)占總模塊數(shù)的百分比）為0.49%，采取上述ESD防護(hù)措施后，IGBT模塊失效率下降到0.28%。實(shí)踐證明，在生產(chǎn)測(cè)試過(guò)程中采用ESD防護(hù)措施能明顯降低IGBT功率單元的失效比率，從而為制造企業(yè)減少了生產(chǎn)測(cè)試返工成本，帶來(lái)了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ANSI ESD S20.20—1999：Standard for the Development of an ESD Control Program

［2］ESD ADV53.1—1995：ESD Protective Workstations

［3］林渭勛.現(xiàn)代電力電子電路.浙江大學(xué)出版社，2002

［4］Fuji IGBT Module Series U Technical Data MT5F14993

［5］Fuji IGBT Modules Application Manual

［6］Assembly Instruction for SmartPIM1 and Smart PACK1 Modules