近些年是國內功率半導體器件迅猛發展的良好時機，國產半導體企業在MOSFET ，IGBT及SiC等產品領域的優秀表現吸引了越來越多的電力電子產品大廠的關注和應用。絕緣柵雙極型晶體管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）做為功率半導體器件領域中的一顆耀眼明珠，以其自身優越的性能在大、中功率產品中得到了廣泛的應用。長期以來在逆變、變頻等領域，國際IGBT大廠一直占領主導地位。隨著國產IGBT性能的提高與可靠性的加強，目前IGBT單管在工業領料（如充電樁，逆變器，光伏等）已經有了一定規模的推廣并得到了客戶的認可。

針對UPS，光伏，充電樁等工業領域中IGBT應用的特點，國產IGBT廠商深圳尚陽通科技有限公司（下文簡稱”尚陽通”）深度分析客戶需求，在IGBT Chip設計階段采用先進的CS Trench FS技術結合小Pitch設計結構，實現了低通態壓降Vcesat與小開關損耗Eon+Eoff的優秀平衡；并且在產品設計階段，針對逆變器應用場合選配全電流的FRED，以滿足嚴苛電網條件下的浪涌電流沖擊，并注重VF與反向恢復特性的平衡，使產品在中、大功率電力變換場合取得了良好的表現。

在IGBT單管應用領域，客戶為實現產品的功率最大化與設計成本最優化，往往使用多管并聯的設計方案，此時對IGBT單管的均流特性是個嚴苛考驗。尚陽通IGBT開發團隊在設計階段從多方面考慮滿足客戶應用需求：其一，針對Vcesat采用正溫度系數，保證在多管并聯時IGBT在導通情況下，實現自動均流；其二，針對開關時的電流突變情況，在知名流片大廠的制造過程中對工藝條件流程的嚴苛把控，以實現閾值Vge(th)的分布集中化；其三，為增強產品的魯棒性，通過調節濃度減少基區電阻的設計，可實現產品在4~5倍額定電流下正常開關，避免Latch-up現象的發生。

由于IGBT器件處在電力產品的核心位置，產品在惡劣運行環境與極端工況下，客戶除了對器件的開關性能關注外，還對器件的安全工作區和長期可靠性要求極高。除了可靠性測試滿足1000小時外，功率循環試驗也是考核IGBT器件封裝長期可靠性最重要的測試項目，通過加速老化過程可提前暴露可能的薄弱點，也是最能模擬器件在實際工作中的試驗項目。

由于功率循環過程中器件內部不同材料之間的熱膨脹系數(Coefficients of Thermal Expansion ,CTE)不同，所引起的循環熱應力是造成器件老化和失效的主要原因。其中，功率循環分為秒級功率循環PCsec和分鐘級功率循環PCmin，其中秒級功率循環主要是針對鍵合線和芯片焊料層的熱應力，也是引起分離式IGBT器件特性變化的主要失效點，其中器件內部與測試平臺示意圖如圖1示。尚陽通IGBT單管在知名封裝大廠進行成品封裝時，通過對鍵合、焊料和塑封材料等環節實施嚴格要求，以達到成品高可靠性的目標。如下實驗是選用尚陽通650V 80A TO-247 IGBT產品,型號為SRE80N065FSUD8T-G按標準進行秒級功率循環測試。設定實驗條件為：TC=50℃，ΔT≥100℃，Tjmax=150℃，周期為15000Cyc。

圖1器件內部結構及測試平臺示意圖

根據國際標準ECPE Guideline AQG324，秒級功率循環測試曲線圖如圖2所示；其中，Tvjmax/Tvjmin是最大/最小虛擬結溫，通過小電流下飽和壓降法測得；Tcmax/Tcmin是最大/最小殼溫，ton是開通時間，即被測器件通過負載電流IL加熱到指定結溫的時間；toff是關斷時間，即被測器件切斷加熱電流后，通過外部水冷使器件結溫下降的時間；tcycle是單次功率循環的周期，為開通時間ton和關斷時間toff的和，即tcycle=ton+toff。

圖2秒級PCsec測試電流與溫度曲線

根據國際標準AQG324，焊接IGBT器件的失效標準如表1所示。按測試標準實驗進行到15000次循環后停止實驗，由于實驗前500個循環內會對試驗條件進行調整，因此本次測試每次實驗停止時循環數在15500次左右。

表1 焊接IGBT器件失效標準

由于每個器件的飽和電壓或結到殼熱阻的不完全相同，為保證測試時器件的結溫的一致性，在實驗初期會對每一個器件的柵極電壓進行調節以調節其功耗進而調節結溫波動。

圖3通態壓降VCE在功率循環試驗中的變化

圖3是負載電流下通態壓降VCE在功率循環試驗中的變化，其中紅線是器件處于最高結溫時的通態壓降，稱為VCE(hot)，黑線為模塊處于最低結溫時的通態壓降，稱為VCE(cold)，從圖中可以看出，在功率循環中通態壓降幾乎保持恒定，保持在1.475V附近，這表示鍵合線沒有發生老化。需要說明的是，波形中的鋸齒狀是測試平臺水冷系統中水溫波動造成的。

圖4結溫Tj在功率循環試驗中的變化

圖4是器件的Tj在功率循環試驗中的變化，紅線為最高結溫Tjmax，藍線為最低結溫Tjmin，黑線為結溫波動ΔTj。整個試驗過程中，最高結溫和最低結溫均有約3℃的下降，而且在前6000個循環下降較快，6000次循環后較為穩定，這是由于系統熱阻的降低造成的，熱阻的降低則是因為兩層熱界面材料（絕緣導熱片和導熱硅脂）的接觸變好而引起的。

圖5 功率循環前后關鍵參數對比

如圖5所示，通過FT 測試對比器件經過功率循環前后件的關鍵參數，結果顯示各參數無明顯漂移，表征650V 80A IGBT順利通過了15000次特定條件下（最高結溫150℃，結溫波動100K，開通時間2s）的功率循環試驗，試驗結束后鍵合線和焊料層并未發生明顯老化的跡象。

深圳尚陽通科技有限公司不僅在MOSFET領域取得豐碩的成果，而且已經深耕IGBT產品多年，積累了豐富的設計與應用經驗，將為客戶提供性能更優，可靠性更高的IGBT產品。

責任編輯：xj

原文標題：國產高可靠性IGBT器件的產品及可靠性介紹

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