高壓器件產品應用及失效分析

邢雁 劉鵬 李樹森

摘 要：高壓半導體器件的封裝形式直接影響器件的使用壽命，在電壓達到一定程度時傳統焊接工藝的膨脹系數不一致，導致器件電壓很難達到要求，因此需要改變傳統焊接工藝，而采取壓接工藝，但需要對新工藝的失效機理進行研究，本文通過大量實驗，得出壓接工藝相對于傳統工藝很多好處。

關鍵詞：高壓；壓接；失效

一、高壓器件產品依據標準

標準。在IEC60747“分立半導體”中已經描述了符號的概念含義和使用要求。但下面的標準給出了每個半導體結構的詳細參數解釋，數據參數的最低要求，以及檢驗和測試方法

IEC 60747-1 一般概論（符號和術語）

IEC 60747-2 二極管

IEC 60747-3 晶閘管

電力半導體的其他重要標準是：

IEC 60191-2 半導體器件的機械標準化，第2部分測量尺寸（標準封裝外形圖）

IEC 60664 低壓電氣設備的絕緣（間隙和隔離距離）

IEC 60721 環境條件的分類

IEC 60068 環境試驗（測試條件定義）

IEC 60749 機械和氣候環境試驗方法

還有一些不是國際公認的標準：

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 整流二極管測試方法

JB/T7626- 2013 反向阻斷三極晶閘管測試方法

GB/T 15291-1994 半導體器件和集成電路 第6部分 晶閘管

GB/T 4023-1997 半導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

高壓器件產品采取以下封裝技術。

封裝技術。壓力連接。同焊接、擴散燒結和焊線柱不同，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的不同而產生的脫焊。它也沒有在其他連接方式中常出現的，因為溫度變化而產生的焊接疲勞。它有很高的可靠性。在適宜的形狀，把半導體夾在兩個冷卻片中，可以使熱阻降低一半。大面積和小面積壓力連接是有相當大的區別。

大面積的壓力連接。它要求被連接雙方的接觸面干凈，然后被大力地擠壓在一起。兩個被接觸的表面不能被冷焊接，否者就會滑動。通過設計合適的連接面，可以使它很可靠的工作。

小面積的壓力連接。這是指線形或者點形的接觸面積。對于這么小的接觸面積，往往一個小的壓力就足夠。它的壓強如此巨大，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

可靠性是高壓器件最重要的品質特性之一，可靠性即是在一定的時間內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，它直接和間接帶來的損害和導致高成本。因為使用器件的長壽命（10到30年）和檢測過程十分復雜，所以對于小生產批量的高壓器件的可靠性給出準確的數據是很困難的。但可以通過以下方法改善可靠性。

準確控制生產全過程；

模擬實際情況進行可靠性檢測，解決典型故障；

在整個系統中測試并觀測元件的重要參數特性；

在可靠性方面臺基公司提出的口號是“可靠性設計”。這就意味著在一個高壓器件設計時，就考慮到組件老化問題。它應該采取盡可能多的安全措施，使高壓器件的壽命滿足整個系統的壽命要求。

測試產品合格標準。可靠性測試的目的是：

確保產品的整個質量和可靠性

通過在不同的測試條件下確定產品的極限值

檢查生產工藝過程的穩定性

評價工藝變化對產品的可靠性影響

下面的測試是批準生產高壓產品的最低要求測試。對于新產品和進一步開發以及重新獲得合格產品將使用下列測試標準，個別產品還得增加其他的可靠性測試。可靠性試驗是破壞性試驗，并應選取一定數量的生產樣品進行實驗。

為了估計使用壽命，在試驗前、試驗中和試驗后都應對高壓器件參數進行測量。當以下一個參數有變化時，就可認為出現失效：

晶閘管/整流管

反向重復峰值電流/斷態重復峰值電流IRD/IDD： 超過上限+100%

門極觸發電壓/電流VGT/IGT： 超過上限+10%

通態壓降VT/VF： 超過上限+10%

（1）高溫反偏試驗（HTRB），濕熱試驗（THB）。這兩種試驗主要檢測芯片的阻斷能力，了解氧化層鈍化環的質量。試驗是在專用儀器與設備中進行的。在試驗過程中，要檢測泄漏和反向重復峰值電流。在結束后還要經過有關靜態電氣參數測試。

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

（3）溫度循環試驗（TC）。在這個測試試驗中的器件放在一個托盤中，定時由人工移動到高溫和低溫區中。該器件被被動加熱和冷卻。為了使器件的溫度同所在環境的溫度相同，所以要保證測試過程的時間相對比較長。通過這個試驗，要檢驗因溫度變化而在各層產生的張力，以及這種張力帶來的變化。它模擬了日常白天和黑夜的情況。對于工業應用中，通常要求是至少5次在最低和最高溫度（-40℃/+125℃）之間試驗。

（4）功率循環試驗（PC）。在功率循環試驗中，溫度的變化是周期性的，升溫由器件因內部損耗而產生溫度升高，而冷卻是使用外部冷卻裝置再使半導體冷卻。為了加熱必須給器件加上一個恒定的，大小等于額定電流值的直流電流。變化周期為1秒到數10秒的時間。主動加熱會產生一個從芯片經過外殼直到冷卻片的溫度梯度下降的變化。通過這個試驗可以檢查不同層次的熱機械應力的影響。它模擬了半導體在實際工作中的負載情況。會得到同溫度相關的循環特性曲線，最后會簡化成在全部溫度范圍的失效曲線。為了加速試驗，我們選取溫度變化較高的ΔT值（例如，ΔT=80K和，ΔT=100K），然后推算出實際應用時，溫度變化小的情況。

（5）振動試驗。振動試驗是在頻率范圍從10到至少1000赫茲和一個5g加速度條件下進行的。有時會加大加速度的數值。根據不同的檢測設備一般是把最低頻率同最高的加速度放置在同一時間里。試驗的主要任務是找到在機械結構上的漏洞，包括：外殼和結構部分的損壞和裂縫。根據不同用途的結構形式會得出不同的測試意見，并可能導致不同的最大加速度。

四、高壓器件產品的應用

晶閘管和整流管的設計選擇。當他們在50/60赫茲的頻率工作時，開關損耗可以被忽略。對于特定的要求選擇一個功率元器件需要考慮下列方面：

—電壓負載能力；—在確定的冷卻條件下，電流負載能力；—工作的環境。

這些問題在穩定和瞬間狀態（瞬間過載）上可能的變化。

在任何情況下，不論是靜態或者動態的情況下，都不得超過數據文件中給出的極限值，例如，阻斷電壓，峰值電流和結層溫度的上限等。為了提高可靠性和壽命，器件的選用應留有一定的裕量，因為必須考慮負載的變化，特別是溫度發生變化時帶來的影響。還要進一步考慮到有一些一般理論解釋不清的，半導體發熱到極限值Tj（max）時的熱負載問題，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通損耗受電壓負載的影響較小。在選擇元器件時要注意留有一定的安全系數，特別是在受控工作和元器件的耐壓參數。在額定網絡電壓VN時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電壓不會超過器件的最大耐壓值。它不但是在穩定狀態時的最高輸入電壓（額定值+容差，如

10%）不能超過，而且在輸入瞬時過電壓值也不能超過，比如不經過線路濾波器時的值，以及刨去因為內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。對于瞬態電壓尖峰，它往往比峰值電壓（VRSM）稍高。應當指出，所有參數都是在溫度為25℃時給出的，阻斷電壓是受溫度影響，并具有正溫度系數。該組件的阻斷電壓依賴自身，并可能會比給出的溫度系數（V/K）略小一些。

（2 ）整流管。（a）連續運行的熱負荷。在連續運行時，對正向導通電流負載的解釋是參數的平均功耗PTAV乘以總熱阻Rth

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

IFAV的函數形式給出：PFAV=VFO×IFAV+rF×Fi2×IFAV2。這些計算公式構成了SEMIPRO設計軟件的理論基礎。在數據文件中還有一些圖表和曲線，它能幫助用戶選擇產品。（b）更高頻率時的負載。對整流器往往忽略它的開關損耗。在50Hz的工作頻率開關損耗占總損耗的1%到2%，因此在設計時，他被設計容差所覆蓋，所以可以被忽略。當工作頻率到200Hz時，開關損耗的上升和因為較高網絡工作頻率而帶來溫度紋波下降，它們部分相抵消。對于更高的頻率，降低電流值是必要的。例如，在500Hz時，必須考慮到開關損耗會增加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間的短路負載，這時的電流是通過網絡電壓和阻抗來計算沖擊（浪涌）電流的大小。它可用一個沒有充電的電容負載來模擬短路情況。通常，人們在短路或者很高過載時提起保險絲或其他保護裝置，在短路時，整流管沒有反向阻斷電壓，然后短路電流導致二極管關斷。在一些特殊情況下，我們可以限制短路電流，使其在一定的短時間內流過整流管和其他器件，但不會給整流管和其他器件造成損壞，過了這段時間短路現象消失。

（3）晶閘管。（a）連續運行負載。在持續工作狀態，必須考慮晶閘管結層溫度隨著工作頻率產生的脈動問題。在晶閘管，通過改變電流的相位角度來調節輸出電壓，對于感性負載使用減弱導通角的矩形脈沖，對歐姆負載使用“切割”過的正弦半波。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似。所不同的是，晶閘管散熱器熱阻Rth（c-a）是在環境溫度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） 短期和間歇性負載。對于晶閘管短期或間歇性負載，如同整流管，必須精確計算。脈沖瞬態熱阻抗Zth（t）加上列表給出的額外熱阻抗Zth（z）而得到。另外，額外熱阻抗應考慮到工作頻率引起的結層溫度的脈動起伏。（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。還有一點必須指出的，當沖擊電流出現會使晶閘管產生很高的結層溫度，這時的晶閘管會暫時失去可控性。它就像一個整流管，既在正向電壓下，立即進入導通狀態。（d）臨界的電流和電壓上升率。晶閘管除了單純的熱力學測量外，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）。在大多數情況下，并聯在晶閘管的RC網絡會產生相當大的di/dt變量。因此，必須保證由其他電路產生的電流上升率遠低于臨界值。對于整流管，通過相對選擇較小的RC元件，已經使電壓上升率降到非常低的水平，但這對于晶閘仍然無法承受，這對于變流器和變流開關是同樣適用。對于逆變器，特別是四相限電流轉換器，在一個晶閘管被觸發時，出現電壓擊穿，所以就會使在另一分支的晶閘管出現很陡的正向電壓峰值。它不會被RC電路濾除，因為在正向電阻是感性負載。對這類場合，必須使用高臨界電壓上升率（1000V/us）的晶閘管。（e） 觸發特性。在實際應用中觸發電流應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，當然PGM值是無論如何不可以超過的。此外，觸發脈沖電流應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。當觸發脈沖低于這些值時，臨界電流上升率di/dt下降的很快！觸發脈沖的寬度取決于主電路的負載。對歐姆負載，一個寬度時間至少10微秒的短小脈沖就足夠觸發，使主電路回路的電流迅速上升。對于感性負載，電流增加緩慢。但是，在晶閘管旁通常有一個并聯的RC電路，它的放電電流幫助了晶閘管的觸發。如果不是這種情況，那就必須使用更寬的觸發脈沖或更好的脈沖串。（f）并聯晶閘管的選擇。根據上述分析，并聯晶閘管應選擇開通時間和通態伏安特性一致的器件。這里所說的通態伏安特性一致，并不是簡單的指在某一電流點上器件的壓降一致，而是指在器件工作的整個電流范圍內，均具有一致的壓降特性。由于器件實際特性的差異性，我們在給用戶匹配并聯器件時，優選考慮器件在正常工作大電流區段的壓降一致性，以保證用戶使用中器件的可靠性。用戶需要用到并聯器件時，可在訂貨時注明要求，并說明器件實際工作電流，臺基公司會根據用戶的具體情況，測試挑選合適的器件。