ESD防護在變流器功率單元組裝中的應用

田紅緯 蔡 旭 陸震宇

（上海交通大學電子信息與電氣工程學院電氣工程系，上海200240）

0 引言

隨著太陽能、風能等可再生綠色能源近些年的蓬勃發展，特別是風力發電的大規模應用，市場對風電設備的需求越來越大。風電設備制造過程中工藝控制對生產的效率和產品的可靠性有重要影響。筆者在多年的風電變流器的組裝制造和測試過程中發現，電子控制元件及變流器關鍵元件IGBT的失效在生產過程中占到總變流器測試失效數量的50%；同時在對變流器功率單元失效模式的研究中發現，影響功率單元失效的原因除了IGBT本身的質量和驅動保護電路設計之外，生產過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質量相對穩定，相關驅動保護電路的研究和應用也比較成熟，因此在工廠生產組裝測試過程中提高變流器IGBT功率單元測試通過率行之有效的手段就是生產工藝控制，而在實際組裝測試過程中，可靠的ESD防護則能有效地減少IGBT的損傷。

1 IGBT的ESD損傷機理

1.1 靜電的產生和危害

靜電和ESD伴隨著電子學的發展而發展，然而隨著電子元器件的尺寸越來越小、運行速度越來越高，元器件對ESD的敏感性也逐漸增強。在現今電子環境中，ESD已在很大程度上影響了電子產品的生產效率和產品的可靠性，盡管人們在過去的幾十年采取了很多措施，但ESD還是持續地影響生產效率、生產成本、產品質量和產品可靠性。據有關專家統計，由ESD造成的損失占總損失的8%～33%，造成的直接經濟損失在10億美金左右。雖然單個二極管本身的價值可能很小，但是由于其失效造成的系統失效價值卻很高，而且這種失效往往還需要修理、返工。

ESD是指不同電勢的物體之間的電荷轉移。ESD可以造成半導體器件的電器特性退化或損毀，也可能擾亂正常運行的電子系統，造成設備誤動作或失效。靜電對電子器件的損傷可以發生在器件生產到產品應用的任何環節，這主要是由于整個過程中沒有采取切實有效的ESD防護措施。

ESD損傷通?？梢苑譃橹旅Ш蜐撛谑?種：

（1）致命失效是指當器件發生ESD后，元器件完全失去功能。其表現形式有金屬熔化、節點擊穿或氧化物失效，這些現象會導致器件內部電路永久損傷，進而造成器件失效。這些失效器件大部分可以在出廠前通過測試檢出，但在出廠后發生就會造成后續器件操作的失效。

（2）潛在失效是指檢測這種失效很困難，元件只是被ESD部分損傷，器件的功能雖然沒有喪失，但是器件的壽命、耐受性顯著減低。若這種器件被應用到系統中，很可能會發生失效，且這種失效通常會帶來昂貴的維修費用，甚至在某些情況下造成操作人員的人身傷害。對于器件的致命失效，可以通過相應的測試設備用基本功能測試的方法就可以檢測出。但是，基于現行的檢測技術和手段，潛在失效很難被檢測到，特別是那些帶有潛在損傷的元件被組裝到產品成品中后，就更難被檢測出來。

1.2 IGBT的結構特點

相對于MOSFET，IGBT在結構上增加了一層P＋層，稱為漏注入層，這樣整個單胞構成了4個層結構，并存在3個PN結。當Uce＞0，Uge＞UT時，門極下面的半導體表面形成反型層，電子從N＋源區經溝道流入N－漏區，使得緩沖層和漏注入層P＋之間的PN結更為正偏，于是P＋區往N－漏區注入空穴。這些空穴一部分是從溝道來的電子負荷，另一部分則由處于反偏的P發射極和n基極之間的PN結收集到亞溝道P＋區，這些載流子將顯著地調制N－漏區的電導率，從而降低器件的導通電阻，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）電氣應力損傷，即由于過電壓、過電流直接導致芯片的損壞；（2）熱應力損傷，即由于過大的熱損耗直接造成芯片的損壞或由于溫度周期導致封裝材料的熱疲勞而造成的損傷；（3）機械應力損傷，即由于外部環境導致芯片、封裝的直接破壞。其中，電氣應力損傷包括關斷電流過大或者C－E電壓過高造成的超出RBSOA的損壞、靜電或尖峰電壓造成門極電壓過大的損壞、反復回復時的浪涌電壓過大或超過IGBT電壓造成的損傷等。根據近2年來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，業界都在追求IGBT尺寸的微型化，認為尺寸越小越好。首先，IGBT尺寸減小，意味著其通道長度縮短，通道的等效電阻也隨之減少，從而可以使更多電流通過。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，那么這個問題就可以迎刃而解。其次，IGBT尺寸變小意味著門極面積減少，如此便可以降低等效的門極電容。此外，越小的門極通常會有更薄的門極氧化層，從而使通道單位電阻值降低，雖然這樣會同時增大門極電容，但是相對于減少的通道電阻，其優勢明顯大于劣勢，而器件在尺寸縮小后的切換速度也會加快。由于尺寸減小帶來的門極氧化層的厚度在不斷減少，所以門極電壓的上限也隨之變少，避免了過大電壓造成的門極氧化層擊穿。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之間外加超過保證值Vge的電壓時，IGBT的門極就有損壞的危險，因此IGBT的門極對靜電是非常敏感的。圖4是IGBT被ESD損傷后的光學檢測圖片，在圖中我們可以清晰地看到被ESD擊傷的門極電路，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損傷后的光學檢測圖片

2 IGBT功率單元的ESD防護控制

2.1 功率單元的組裝過程及可能的失效模式

功率單元的組裝過程包括IGBT封裝模塊的準備（即IGBT封裝模塊及驅動電路板外包裝的拆除）和散熱器的清潔。在IGBT驅動電路板焊接過程中，容易導致的失效模式有模塊轉移及其焊接過程中門極電路的ESD損傷、虛焊引起的過電流保護和過電壓保護電路工作異常等；散熱器模組組裝包括導熱膠的涂覆、散熱器與IGBT模塊的機械連接等，在該過程中容易導致的失效有由于扭力不當引起的IGBT模塊與散熱器結合部過熱、導熱膠涂覆不均勻引起的模塊局部過熱、固定IGBT封裝和散熱器連接螺釘的鎖定順序不當引起散熱器或IGBT模塊彎曲度過大而造成的散熱異常、外力的機械損傷等。

2.2 功率單元組裝過程中的ESD防護

要對功率單元組裝過程采取ESD防護，首先要確定ESD環境控制的級別和區域，即在功率單元組裝過程中那些區域要進行ESD防護以及采用什么級別的防護等。按照相關的行業文獻，參考MOSFET的防護要求，IGBT的防護電壓可選擇在0～1 999 V之間。在實際生產組裝過程中，與功率單元生產組裝相關的區域有IGBT封裝模塊庫存區、IGBT驅動電路板焊接區、散熱模塊組裝區、靜態測試區、變流器功率單元組裝區及功率單元轉運通道區。按照操作過程對IGBT ESD損傷風險評估得知，在IGBT驅動電路板焊接區、散熱模塊組裝區ESD損傷的風險比較高，在生產中將其定義為A類防護區域，參照ANSI／ESD20.20的要求，將A類ESD防護區域的HBM（Human Body Model）定義為100 V，將其余區域定義為B類區域，其HBM定義為1 000 V。

其次，ESD防護區域的接地措施對于ESD的防護效果有著非常重要的影響，在任何操作過程中有效的ESD接地都是至關重要的，所以ESD接地要明確地定義好。ESD防護的首要手段就是要給ESD保護材料、操作人員提供一個接地的通道，來消除產生的靜電電荷。操作環境中的所有帶電體都要通過接地體可靠接地或可靠連接，保持相關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接地點（共同接地點），以消除不同接地點之間的電位差。接下來要將共同接地點連接到設備接地點或者輔助接地點上，以消除工作區域內材料和電氣設備之間的電位。

操作人員和移動設備的ESD控制也是ESD防護措施中的重要組成部分。在實際生產實踐中，操作人員一個簡單的走路就可以產生幾千伏的靜電，如果操作人員不做正確的ESD防護，很容易通過HBM放電模式將身體攜帶的靜電傳導到靜電敏感器件上，造成器件損傷。同樣，移動的小車也可在移動的過程中產生靜電并引起IGBT的損傷。通常通過佩戴與接地點連接的手環、穿戴靜電防護服和ESD鞋，來消除人體產生的靜電。小車等移動設備的靜電可以通過ESD接地鏈來消除。對于ESD防護區來說，ESD防護地面是必要的，可以通過ESD防護油漆地板、ESD地墊等來實現。ESD防護地面可以為人體腳環、ESD鞋、移動設備的接地鏈提供可靠的接地通道來消除產生的靜電。在進行與功率單元有關的操作時，要保證先讓人體和衣服所帶的靜電通過高電阻（1 MΩ）接地線放電后，再在ESD工作臺上進行操作。

工作平臺的ESD防護措施可有效減少在驅動電路板焊接及模塊靜態測試過程中的ESD損傷，所以在焊接和測試時一定要對工作臺采取相應的ESD防護。在操作區域設置獨立工作臺可減少對ESD敏感器件的損傷。ESD工作臺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、公共連接點、標示和標記等，圖5是一個典型的ESD工作桌面。桌面材料的電阻值要求在10E6～10E9Ω。錫焊過程中電烙鐵和烙鐵焊臺中泄露的靜電也是造成IGBT門極靜電損壞的一個重要原因，所以在實際應用中烙鐵前端要用非常低的電阻接地。在將IGBT封裝從庫存區中轉到ESD防護操作臺時，也需要做好ESD控制。通常IGBT封裝用ESD防護包裝袋、ESD IC泡沫等材料進行包裝，以防止運輸過程中的ESD損傷。在功率單元驅動板焊接的過程中，需要將IGBT封裝從包裝材料中轉移到工作臺上，在這一過程中應采取必要的ESD保護措施對門極端子進行保護，以消除在轉移過程中產生靜電對門極電路的ESD損傷，可以將IC泡沫包裝材料覆蓋在IGBT封裝控制端子側，并在操作過程中避免碰觸IGBT封裝的端子，尤其是控制端子。在驅動板焊接之前，先用與公共接地點相連的帶有1 MΩ電阻的ESD鱷魚夾將IGBT封裝的集電極端短接，然后移除IC泡沫，再進行驅動電路板的焊接操作。

圖5 典型的ESD工作桌面

采取搭建局部潔凈房、控制環境溫濕度和潔凈等級的方法，可減少生產過程中產生的靜電。靜電的產生與環境條件直接相關，根據相關生產測試中的歷史數據，在環境相對濕度低于45%時，IGBT的失效率會明顯上升。在環境控制中，一般將溫度保持在15～35℃之間，相對空氣濕度在55%～75%之間?？諝庵衅∥锔綆У撵o電通過接地方式很難消除，這些灰塵雜質會給門極電路帶來風險，同時也會在導熱膠的涂覆過程中導致局部的熱阻改變。所以在功率單元組裝過程中，在驅動電路焊接和散熱模塊組裝這2個關鍵區域搭建局部潔凈房是一個非常有效的防護手段。結合潔凈房來控制環境溫濕度效果會更好，潔凈房潔凈等級最好為百級。圖6為潔凈房的設計圖。

圖6 潔凈房的設計圖

3 結語

本文分析了IGBT功率單元ESD的損傷機理及防護措施。在采取ESD防護措施之前，IGBT功率單元在生產測試過程中的失效率（同時期內失效模塊數占總模塊數的百分比）為0.49%，采取上述ESD防護措施后，IGBT模塊失效率下降到0.28%。實踐證明，在生產測試過程中采用ESD防護措施能明顯降低IGBT功率單元的失效比率，從而為制造企業減少了生產測試返工成本，帶來了明顯的經濟效益。

［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.現代電力電子電路.浙江大學出版社，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