1. H3TRB和HV-H3TRB測(cè)試

為了適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)的需要，獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益，必須采用更高可靠性的產(chǎn)品，才能有更高的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。首先，我們要先介紹H3TRB測(cè)試。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。我們知道，環(huán)境濕度會(huì)侵入模塊外殼、穿過(guò)硅膠到達(dá)芯片表面和鈍化層。這項(xiàng)測(cè)試可以驗(yàn)證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。

其次，我們還需要介紹HV-H3TRB測(cè)試。HV-H3TRB是高壓高濕高溫反偏測(cè)試，它是根據(jù)市場(chǎng)需求和現(xiàn)場(chǎng)故障經(jīng)驗(yàn)推出的。在測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試電壓通常會(huì)設(shè)置為阻斷電壓的80%，但沒(méi)有限制。各個(gè)產(chǎn)商目前已逐步在功率模塊可靠性測(cè)試中實(shí)施。

圖1：HV-H3TRB 測(cè)試模塊

圖2：IEC標(biāo)準(zhǔn)定義了四種不同等級(jí)的測(cè)試時(shí)間

2.失效現(xiàn)象及理論分析

模塊的防潮能力取決于芯片設(shè)計(jì)、模塊封裝技術(shù)的設(shè)計(jì)和模塊的制造工藝。從眾多的濕度可靠性試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，大多數(shù)模塊失效位置是在芯片鈍化層。

圖3、圖4為HV-H3TRB測(cè)試中的典型故障現(xiàn)象。

圖5、圖6是市場(chǎng)上的一個(gè)案例。該模塊在高濕度環(huán)境中使用了幾個(gè)月，故障現(xiàn)象為IGBT鈍化層轉(zhuǎn)角處有一個(gè)燒損點(diǎn)。圖7為現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)濕度和溫度記錄，證實(shí)故障發(fā)生在高溫高濕時(shí)間。

圖3：HV-H3TRB測(cè)試IGBT芯片失效現(xiàn)象實(shí)例

圖4：HV-H3TRB測(cè)試二極管芯片失效現(xiàn)象實(shí)例

圖5：來(lái)自市場(chǎng)上的失效案例

圖6：圖5失效案例的3D放大圖像

圖7：現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)的濕度和溫度記錄

關(guān)于上述的失效現(xiàn)象，有兩種不同的失效理論可以解釋。

比較傳統(tǒng)的一種是：在濕度較高的情況下，水分子會(huì)滲透硅膠和塑料外殼，聚集在芯片表面，進(jìn)而發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，逐漸降低芯片的阻斷電壓。當(dāng)芯片的阻斷電壓低于系統(tǒng)要求的電壓時(shí)，模塊就會(huì)失效。這種傳統(tǒng)的失效模式是一個(gè)較為緩慢的過(guò)程，受到時(shí)間的影響。假如空氣中的S、Cl、K等腐蝕性元素較多，則會(huì)加速故障的發(fā)生。

另一種理論是當(dāng)水分子凝結(jié)在芯片表面時(shí)，芯片會(huì)在短時(shí)間內(nèi)提高了漏電電流。這種失效情況的發(fā)生在短短的幾十秒時(shí)間內(nèi)。

圖8：鈍化層處電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的晶枝生長(zhǎng)示意圖

圖9： 芯片表面鋁腐蝕鋁酸鹽的形成示意圖

3. 高濕度與凝露

濕度定義了一定體積的空氣中水蒸氣的含量。我們常用不同的物理定義來(lái)描述濕度，比較常見(jiàn)的有絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度、露點(diǎn)等等。相對(duì)濕度是指在同一溫度下，空氣中實(shí)際水汽壓與飽和水汽壓的百分比。它隨氣壓和溫度的變化而變化。一般情況下，氣壓越低，溫度越高，絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度就越低。

在絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度和溫度的共同作用下，會(huì)出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。

凝露產(chǎn)生的可能原因有三種：

- 相對(duì)濕度過(guò)高

- 散熱器上或機(jī)柜內(nèi)的溫度低于環(huán)境溫度

- 柜內(nèi)溫度低于露點(diǎn)

圖10：常見(jiàn)的凝露現(xiàn)象

在高濕度的環(huán)境中出現(xiàn)凝露的風(fēng)險(xiǎn)更高，比如：

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

若空氣溫度為30℃，相對(duì)濕度為90%，那么溫度低于28℃時(shí)，表面就有結(jié)露的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際溫度與露點(diǎn)溫度相差只有2℃。

這對(duì)于華南沿海、東南亞沿海都是比較普遍出現(xiàn)的環(huán)境條件。

圖11：露點(diǎn)示意圖

4. 防止措施

那么如何預(yù)防這一類因高濕度導(dǎo)致的失效呢？我們需要考慮模塊工作的氣候環(huán)境。

大多數(shù)功率模塊符合EN50178規(guī)定的EN 60721-3-3氣候等級(jí)3K3。在電氣間隙和爬電距離方面，可以在EN50178和EN61800-5-1規(guī)定的污染等級(jí)2的條件下工作。因此，當(dāng)工作溫度低于30℃時(shí)，相對(duì)濕度不得超過(guò)85%。當(dāng)工作溫度在30℃～40℃之間時(shí)，最大允許相對(duì)濕度從85%線性下降到50%。圖7中的故障案例表明，相對(duì)濕度和溫度已經(jīng)超過(guò)了3K3區(qū)域，這將導(dǎo)致故障率增加。

圖12：溫度、相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度的氣候圖

輪廓區(qū)域?qū)��?yīng)的氣候等級(jí)為3K3

在夏季的很多應(yīng)用中，相對(duì)濕度有可能超出模塊適應(yīng)的濕度范圍，這將導(dǎo)致應(yīng)用中的故障率增加。如何防止潮濕對(duì)電源模塊的影響？可以從這兩方面去考慮：降低相對(duì)濕度和避免結(jié)露。

可以實(shí)施的行動(dòng)有：

- 適當(dāng)?shù)睦鋮s液溫度控制策略

- 預(yù)熱

- 除濕機(jī)

- 如有可能，對(duì)機(jī)柜進(jìn)行密封

- 開(kāi)放式機(jī)柜中收集和導(dǎo)流產(chǎn)生的冷凝水

模塊廠商也在為提高模塊的耐濕能力做探索，逐步實(shí)施改善工藝措施。例如，改善硅膠和鈍化材料，將消除隨著高濕度或凝露增加的漏電流；改善保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)將使芯片在高濕度下的阻斷電壓能力更強(qiáng)。

圖13：英飛凌1700VIGBT4結(jié)構(gòu)，4場(chǎng)板

圖14：英飛凌1700VIGBT4，大15%的結(jié)構(gòu)，8場(chǎng)板

綜上所述，提高功率半導(dǎo)體在高濕度下的可靠性是一個(gè)持續(xù)的目標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的多樣性和不確定性對(duì)模塊制造商和用戶提出了更高的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] C. Zorn, N. Kaminski, “Acceleration oftemperature humidity bias testing on IGBT modules by high bias levels”, in proceedingsof the 27th International Symposium on Power Semiconductor Devices& IC’s May 10-14, 2015, Kowloon Shangri-La, Hong Kong

[2] P. Drexhage, “Effect of humidity and condensation onpower electronics systems”

[3] Mitsubishi Electric, “The reliability of IGBT modules againsthumidity and condensation”, in proceedings of ECPE workshop 5-6 June 2019, Bremen

[4] Dr.-Ing. A. Wintrich, Dr. -Ing. U.Nicolai, Dr. techn. W. Tursky, Univ.- Prof. Dr.-Ing. T. Reimann, “Application manual power semiconductors”, SEMIKRON