高壓器件產(chǎn)品應(yīng)用及失效分析

邢雁 劉鵬 李樹(shù)森

摘 要：高壓半導(dǎo)體器件的封裝形式直接影響器件的使用壽命，在電壓達(dá)到一定程度時(shí)傳統(tǒng)焊接工藝的膨脹系數(shù)不一致，導(dǎo)致器件電壓很難達(dá)到要求，因此需要改變傳統(tǒng)焊接工藝，而采取壓接工藝，但需要對(duì)新工藝的失效機(jī)理進(jìn)行研究，本文通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，得出壓接工藝相對(duì)于傳統(tǒng)工藝很多好處。

關(guān)鍵詞：高壓；壓接；失效

一、高壓器件產(chǎn)品依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)。在IEC60747“分立半導(dǎo)體”中已經(jīng)描述了符號(hào)的概念含義和使用要求。但下面的標(biāo)準(zhǔn)給出了每個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的詳細(xì)參數(shù)解釋?zhuān)瑪?shù)據(jù)參數(shù)的最低要求，以及檢驗(yàn)和測(cè)試方法

IEC 60747-1 一般概論（符號(hào)和術(shù)語(yǔ)）

IEC 60747-2 二極管

IEC 60747-3 晶閘管

電力半導(dǎo)體的其他重要標(biāo)準(zhǔn)是：

IEC 60191-2 半導(dǎo)體器件的機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化，第2部分測(cè)量尺寸（標(biāo)準(zhǔn)封裝外形圖）

IEC 60664 低壓電氣設(shè)備的絕緣（間隙和隔離距離）

IEC 60721 環(huán)境條件的分類(lèi)

IEC 60068 環(huán)境試驗(yàn)（測(cè)試條件定義）

IEC 60749 機(jī)械和氣候環(huán)境試驗(yàn)方法

還有一些不是國(guó)際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)：

JB/T 8950.2- 2013 普通晶閘管 第2部分：平板形器件

JB/T 8949.2- 2013 普通整流管 第2部分：平板形器件

JB/T 7624- 2013 整流二極管測(cè)試方法

JB/T7626- 2013 反向阻斷三極晶閘管測(cè)試方法

GB/T 15291-1994 半導(dǎo)體器件和集成電路 第6部分 晶閘管

GB/T 4023-1997 半導(dǎo)體器件分立器件和集成電路 第2部分：整流二極管

二、連接和封裝技術(shù)

高壓器件產(chǎn)品采取以下封裝技術(shù)。

封裝技術(shù)。壓力連接。同焊接、擴(kuò)散燒結(jié)和焊線柱不同，壓力連接不是靠一種粘合劑連接，而是靠接觸連接。通過(guò)壓力能使雙方連接，但它可以消除因溫度變化和不同材料熱敏效應(yīng)的不同而產(chǎn)生的脫焊。它也沒(méi)有在其他連接方式中常出現(xiàn)的，因?yàn)闇囟茸兓a(chǎn)生的焊接疲勞。它有很高的可靠性。在適宜的形狀，把半導(dǎo)體夾在兩個(gè)冷卻片中，可以使熱阻降低一半。大面積和小面積壓力連接是有相當(dāng)大的區(qū)別。

大面積的壓力連接。它要求被連接雙方的接觸面干凈，然后被大力地?cái)D壓在一起。兩個(gè)被接觸的表面不能被冷焊接，否者就會(huì)滑動(dòng)。通過(guò)設(shè)計(jì)合適的連接面，可以使它很可靠的工作。

小面積的壓力連接。這是指線形或者點(diǎn)形的接觸面積。對(duì)于這么小的接觸面積，往往一個(gè)小的壓力就足夠。它的壓強(qiáng)如此巨大，以至是使接觸面能穿透接觸表面的氧化層。這種連接被用于彈簧型模塊控制。

三、可靠性試驗(yàn)

可靠性是高壓器件最重要的品質(zhì)特性之一，可靠性即是在一定的時(shí)間內(nèi)保證能滿足工作要求的特性。一邊是高壓器件滿足要求正常工作，另一邊是早期故障的危害，它直接和間接帶來(lái)的損害和導(dǎo)致高成本。因?yàn)槭褂闷骷拈L(zhǎng)壽命（10到30年）和檢測(cè)過(guò)程十分復(fù)雜，所以對(duì)于小生產(chǎn)批量的高壓器件的可靠性給出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)是很困難的。但可以通過(guò)以下方法改善可靠性。

準(zhǔn)確控制生產(chǎn)全過(guò)程；

模擬實(shí)際情況進(jìn)行可靠性檢測(cè)，解決典型故障；

在整個(gè)系統(tǒng)中測(cè)試并觀測(cè)元件的重要參數(shù)特性；

在可靠性方面臺(tái)基公司提出的口號(hào)是“可靠性設(shè)計(jì)”。這就意味著在一個(gè)高壓器件設(shè)計(jì)時(shí)，就考慮到組件老化問(wèn)題。它應(yīng)該采取盡可能多的安全措施，使高壓器件的壽命滿足整個(gè)系統(tǒng)的壽命要求。

測(cè)試產(chǎn)品合格標(biāo)準(zhǔn)。可靠性測(cè)試的目的是：

確保產(chǎn)品的整個(gè)質(zhì)量和可靠性

通過(guò)在不同的測(cè)試條件下確定產(chǎn)品的極限值

檢查生產(chǎn)工藝過(guò)程的穩(wěn)定性

評(píng)價(jià)工藝變化對(duì)產(chǎn)品的可靠性影響

下面的測(cè)試是批準(zhǔn)生產(chǎn)高壓產(chǎn)品的最低要求測(cè)試。對(duì)于新產(chǎn)品和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)以及重新獲得合格產(chǎn)品將使用下列測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，個(gè)別產(chǎn)品還得增加其他的可靠性測(cè)試?？煽啃栽囼?yàn)是破壞性試驗(yàn)，并應(yīng)選取一定數(shù)量的生產(chǎn)樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

為了估計(jì)使用壽命，在試驗(yàn)前、試驗(yàn)中和試驗(yàn)后都應(yīng)對(duì)高壓器件參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)以下一個(gè)參數(shù)有變化時(shí)，就可認(rèn)為出現(xiàn)失效：

晶閘管/整流管

反向重復(fù)峰值電流/斷態(tài)重復(fù)峰值電流IRD/IDD： 超過(guò)上限+100%

門(mén)極觸發(fā)電壓/電流VGT/IGT： 超過(guò)上限+10%

通態(tài)壓降VT/VF： 超過(guò)上限+10%

（1）高溫反偏試驗(yàn)（HTRB），濕熱試驗(yàn)（THB）。這兩種試驗(yàn)主要檢測(cè)芯片的阻斷能力，了解氧化層鈍化環(huán)的質(zhì)量。試驗(yàn)是在專(zhuān)用儀器與設(shè)備中進(jìn)行的。在試驗(yàn)過(guò)程中，要檢測(cè)泄漏和反向重復(fù)峰值電流。在結(jié)束后還要經(jīng)過(guò)有關(guān)靜態(tài)電氣參數(shù)測(cè)試。

（2）高低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)（HTS，LTS）。試驗(yàn)在極端溫度環(huán)境下考核器件的高安全品質(zhì)。

（3）溫度循環(huán)試驗(yàn)（TC）。在這個(gè)測(cè)試試驗(yàn)中的器件放在一個(gè)托盤(pán)中，定時(shí)由人工移動(dòng)到高溫和低溫區(qū)中。該器件被被動(dòng)加熱和冷卻。為了使器件的溫度同所在環(huán)境的溫度相同，所以要保證測(cè)試過(guò)程的時(shí)間相對(duì)比較長(zhǎng)。通過(guò)這個(gè)試驗(yàn)，要檢驗(yàn)因溫度變化而在各層產(chǎn)生的張力，以及這種張力帶來(lái)的變化。它模擬了日常白天和黑夜的情況。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用中，通常要求是至少5次在最低和最高溫度（-40℃/+125℃）之間試驗(yàn)。

（4）功率循環(huán)試驗(yàn)（PC）。在功率循環(huán)試驗(yàn)中，溫度的變化是周期性的，升溫由器件因內(nèi)部損耗而產(chǎn)生溫度升高，而冷卻是使用外部冷卻裝置再使半導(dǎo)體冷卻。為了加熱必須給器件加上一個(gè)恒定的，大小等于額定電流值的直流電流。變化周期為1秒到數(shù)10秒的時(shí)間。主動(dòng)加熱會(huì)產(chǎn)生一個(gè)從芯片經(jīng)過(guò)外殼直到冷卻片的溫度梯度下降的變化。通過(guò)這個(gè)試驗(yàn)可以檢查不同層次的熱機(jī)械應(yīng)力的影響。它模擬了半導(dǎo)體在實(shí)際工作中的負(fù)載情況。會(huì)得到同溫度相關(guān)的循環(huán)特性曲線，最后會(huì)簡(jiǎn)化成在全部溫度范圍的失效曲線。為了加速試驗(yàn)，我們選取溫度變化較高的ΔT值（例如，ΔT=80K和，ΔT=100K），然后推算出實(shí)際應(yīng)用時(shí)，溫度變化小的情況。

（5）振動(dòng)試驗(yàn)。振動(dòng)試驗(yàn)是在頻率范圍從10到至少1000赫茲和一個(gè)5g加速度條件下進(jìn)行的。有時(shí)會(huì)加大加速度的數(shù)值。根據(jù)不同的檢測(cè)設(shè)備一般是把最低頻率同最高的加速度放置在同一時(shí)間里。試驗(yàn)的主要任務(wù)是找到在機(jī)械結(jié)構(gòu)上的漏洞，包括：外殼和結(jié)構(gòu)部分的損壞和裂縫。根據(jù)不同用途的結(jié)構(gòu)形式會(huì)得出不同的測(cè)試意見(jiàn)，并可能導(dǎo)致不同的最大加速度。

四、高壓器件產(chǎn)品的應(yīng)用

晶閘管和整流管的設(shè)計(jì)選擇。當(dāng)他們?cè)?0/60赫茲的頻率工作時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗可以被忽略。對(duì)于特定的要求選擇一個(gè)功率元器件需要考慮下列方面：

—電壓負(fù)載能力；—在確定的冷卻條件下，電流負(fù)載能力；—工作的環(huán)境。

這些問(wèn)題在穩(wěn)定和瞬間狀態(tài)（瞬間過(guò)載）上可能的變化。

在任何情況下，不論是靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)的情況下，都不得超過(guò)數(shù)據(jù)文件中給出的極限值，例如，阻斷電壓，峰值電流和結(jié)層溫度的上限等。為了提高可靠性和壽命，器件的選用應(yīng)留有一定的裕量，因?yàn)楸仨毧紤]負(fù)載的變化，特別是溫度發(fā)生變化時(shí)帶來(lái)的影響。還要進(jìn)一步考慮到有一些一般理論解釋不清的，半導(dǎo)體發(fā)熱到極限值Tj（max）時(shí)的熱負(fù)載問(wèn)題，以便保證器件安全可靠的工作。

（1） 阻斷電壓。整流管和晶閘管的導(dǎo)通損耗受電壓負(fù)載的影響較小。在選擇元器件時(shí)要注意留有一定的安全系數(shù)，特別是在受控工作和元器件的耐壓參數(shù)。在額定網(wǎng)絡(luò)電壓VN時(shí)二極管和晶閘管的截止電壓按照下表給出的推薦值選擇：

首先必須確保最高電網(wǎng)電壓不會(huì)超過(guò)器件的最大耐壓值。它不但是在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的最高輸入電壓（額定值+容差，如

10%）不能超過(guò)，而且在輸入瞬時(shí)過(guò)電壓值也不能超過(guò)，比如不經(jīng)過(guò)線路濾波器時(shí)的值，以及刨去因?yàn)閮?nèi)部電容器和直流端接線電路（抑制器，緩沖器，壓敏電阻）降低的電壓值。對(duì)于瞬態(tài)電壓尖峰，它往往比峰值電壓（VRSM）稍高。應(yīng)當(dāng)指出，所有參數(shù)都是在溫度為25℃時(shí)給出的，阻斷電壓是受溫度影響，并具有正溫度系數(shù)。該組件的阻斷電壓依賴(lài)自身，并可能會(huì)比給出的溫度系數(shù)（V/K）略小一些。

（2 ）整流管。（a）連續(xù)運(yùn)行的熱負(fù)荷。在連續(xù)運(yùn)行時(shí)，對(duì)正向?qū)娏髫?fù)載的解釋是參數(shù)的平均功耗PTAV乘以總熱阻Rth

（j-a）。這個(gè)乘積不允許大于環(huán)境溫度Ta和最大允許結(jié)層溫度Tj之間的差：PFAV×Rth（j-a）≤Tj-Ta，對(duì)于計(jì)算功耗可用下面公式：PFAV=VFO×IFAV+rF×IFRMS2。對(duì)于典型的二極管的電流形式（180°正弦波，120°方波）可以簡(jiǎn)單計(jì)算出電流波形系數(shù)：Fi= IFRMS/IFAV。其中，PFAV是一個(gè)變量，通常以電流

IFAV的函數(shù)形式給出：PFAV=VFO×IFAV+rF×Fi2×IFAV2。這些計(jì)算公式構(gòu)成了SEMIPRO設(shè)計(jì)軟件的理論基礎(chǔ)。在數(shù)據(jù)文件中還有一些圖表和曲線，它能幫助用戶選擇產(chǎn)品。（b）更高頻率時(shí)的負(fù)載。對(duì)整流器往往忽略它的開(kāi)關(guān)損耗。在50Hz的工作頻率開(kāi)關(guān)損耗占總損耗的1%到2%，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，他被設(shè)計(jì)容差所覆蓋，所以可以被忽略。當(dāng)工作頻率到200Hz時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗的上升和因?yàn)檩^高網(wǎng)絡(luò)工作頻率而帶來(lái)溫度紋波下降，它們部分相抵消。對(duì)于更高的頻率，降低電流值是必要的。例如，在500Hz時(shí)，必須考慮到開(kāi)關(guān)損耗會(huì)增加15%到20%。（c）在

10ms左右的沖擊（浪涌）電流的極限值。整流管必須承受短時(shí)間的短路負(fù)載，這時(shí)的電流是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)電壓和阻抗來(lái)計(jì)算沖擊（浪涌）電流的大小。它可用一個(gè)沒(méi)有充電的電容負(fù)載來(lái)模擬短路情況。通常，人們?cè)诙搪坊蛘吆芨哌^(guò)載時(shí)提起保險(xiǎn)絲或其他保護(hù)裝置，在短路時(shí)，整流管沒(méi)有反向阻斷電壓，然后短路電流導(dǎo)致二極管關(guān)斷。在一些特殊情況下，我們可以限制短路電流，使其在一定的短時(shí)間內(nèi)流過(guò)整流管和其他器件，但不會(huì)給整流管和其他器件造成損壞，過(guò)了這段時(shí)間短路現(xiàn)象消失。

（3）晶閘管。（a）連續(xù)運(yùn)行負(fù)載。在持續(xù)工作狀態(tài)，必須考慮晶閘管結(jié)層溫度隨著工作頻率產(chǎn)生的脈動(dòng)問(wèn)題。在晶閘管，通過(guò)改變電流的相位角度來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，對(duì)于感性負(fù)載使用減弱導(dǎo)通角的矩形脈沖，對(duì)歐姆負(fù)載使用“切割”過(guò)的正弦半波。晶閘管的ITAV-PTAV-Rth曲線圖是同整流管的相似，它們的使用方法也類(lèi)似。所不同的是，晶閘管散熱器熱阻Rth（c-a）是在環(huán)境溫度Ta下，晶閘管熱阻和散熱器熱阻的和，而不是散熱器的熱阻Rth（j-a）。（b） 短期和間歇性負(fù)載。對(duì)于晶閘管短期或間歇性負(fù)載，如同整流管，必須精確計(jì)算。脈沖瞬態(tài)熱阻抗Zth（t）加上列表給出的額外熱阻抗Zth（z）而得到。另外，額外熱阻抗應(yīng)考慮到工作頻率引起的結(jié)層溫度的脈動(dòng)起伏。（c）在10毫秒左右的沖擊（浪涌）電流的極限值。晶閘管同整流管相同。還有一點(diǎn)必須指出的，當(dāng)沖擊電流出現(xiàn)會(huì)使晶閘管產(chǎn)生很高的結(jié)層溫度，這時(shí)的晶閘管會(huì)暫時(shí)失去可控性。它就像一個(gè)整流管，既在正向電壓下，立即進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。（d）臨界的電流和電壓上升率。晶閘管除了單純的熱力學(xué)測(cè)量外，還必須注意遵守臨界電流上升率（di/dt）和臨界電壓上升率（dv/dt）。在大多數(shù)情況下，并聯(lián)在晶閘管的RC網(wǎng)絡(luò)會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的di/dt變量。因此，必須保證由其他電路產(chǎn)生的電流上升率遠(yuǎn)低于臨界值。對(duì)于整流管，通過(guò)相對(duì)選擇較小的RC元件，已經(jīng)使電壓上升率降到非常低的水平，但這對(duì)于晶閘仍然無(wú)法承受，這對(duì)于變流器和變流開(kāi)關(guān)是同樣適用。對(duì)于逆變器，特別是四相限電流轉(zhuǎn)換器，在一個(gè)晶閘管被觸發(fā)時(shí)，出現(xiàn)電壓擊穿，所以就會(huì)使在另一分支的晶閘管出現(xiàn)很陡的正向電壓峰值。它不會(huì)被RC電路濾除，因?yàn)樵谡螂娮枋歉行载?fù)載。對(duì)這類(lèi)場(chǎng)合，必須使用高臨界電壓上升率（1000V/us）的晶閘管。（e） 觸發(fā)特性。在實(shí)際應(yīng)用中觸發(fā)電流應(yīng)盡可能的接近給出的IGT值，這樣可以保證在低溫下也安全觸發(fā)，當(dāng)然PGM值是無(wú)論如何不可以超過(guò)的。此外，觸發(fā)脈沖電流應(yīng)盡可能陡的上升前沿，我們建議使用5倍的IGT值和至少1A/us的上升率。當(dāng)觸發(fā)脈沖低于這些值時(shí)，臨界電流上升率di/dt下降的很快！觸發(fā)脈沖的寬度取決于主電路的負(fù)載。對(duì)歐姆負(fù)載，一個(gè)寬度時(shí)間至少10微秒的短小脈沖就足夠觸發(fā)，使主電路回路的電流迅速上升。對(duì)于感性負(fù)載，電流增加緩慢。但是，在晶閘管旁通常有一個(gè)并聯(lián)的RC電路，它的放電電流幫助了晶閘管的觸發(fā)。如果不是這種情況，那就必須使用更寬的觸發(fā)脈沖或更好的脈沖串。（f）并聯(lián)晶閘管的選擇。根據(jù)上述分析，并聯(lián)晶閘管應(yīng)選擇開(kāi)通時(shí)間和通態(tài)伏安特性一致的器件。這里所說(shuō)的通態(tài)伏安特性一致，并不是簡(jiǎn)單的指在某一電流點(diǎn)上器件的壓降一致，而是指在器件工作的整個(gè)電流范圍內(nèi)，均具有一致的壓降特性。由于器件實(shí)際特性的差異性，我們?cè)诮o用戶匹配并聯(lián)器件時(shí)，優(yōu)選考慮器件在正常工作大電流區(qū)段的壓降一致性，以保證用戶使用中器件的可靠性。用戶需要用到并聯(lián)器件時(shí)，可在訂貨時(shí)注明要求，并說(shuō)明器件實(shí)際工作電流，臺(tái)基公司會(huì)根據(jù)用戶的具體情況，測(cè)試挑選合適的器件。