IGBT模塊在高濕環境應用失效的預防措施

引言

近年來，隨著我國政府對環境和氣候問題的持續關注，可再生能源得到了高速發展。綜合各省市數據，十四五期間光伏和風電的規劃新增裝機容量超過527GW[1]。隨著累計裝機量的快速增加，北方地區可利用的優質可再生能源資源逐步減少。新增光伏和風電裝機正向南方甚至是海上發展，面臨著高溫高濕等惡劣應用環境的挑戰。IGBT模塊作為光伏逆變器和風電變流器的“心臟”，需要在各種復雜工況下可靠工作20年。由于水分子的導電性和腐蝕性，高濕環境對功率半導體器件的長期可靠運行有著非常大的負面影響。根據過去大量不同應用的現場IGBT失效信息統計分析，發現在其他外部條件類似時，雨季的失效率明顯突出。所以當使用IGBT的設備需要長期工作在高濕環境中，在設計階段就考慮足夠的失效預防措施是必要的。

那么什么樣的環境算是高濕，高濕環境又是如何影響IGBT的可靠性？我們先來共同回顧一些基本概念。

絕對濕度，相對濕度，凝露

絕對濕度也就是單位空氣中所含水蒸汽的質量，它是大氣干濕程度的一種物理表達方式，通常用1立方米內空氣中所含有的水蒸氣的質量來表示。絕對濕度不容易直接測量，實際使用比較少。相對濕度，指空氣中水汽壓與相同溫度下飽和水汽壓的百分比。或濕空氣的絕對濕度與相同溫度下可能達到的最大絕對濕度之比。相對濕度越大，說明水汽越接近飽和。RH=100％時，水汽達到飽和。需要注意，絕對濕度和相對濕度并非一成不變，而是都會受到氣壓和溫度的影響而產生變化。如圖1所示。氣壓越低，溫度越高，絕對濕度和相對濕度就越低。

圖1：密閉系統中濕度與溫度、氣壓關系

當空氣中的水蒸氣從氣態轉變為液態，會在物體表面形成凝露或是在低溫狀態下以水霧形式存在。產生凝露時物體表面的溫度稱為露點溫度。下圖2展示了相對濕度，空氣溫度和露點三者之間的關系。在一定的氣壓和濕度條件下，如果局部的空氣或物體表面溫度低于露點溫度，冷凝就會在該區域發生。

圖2：基于馬格納斯方程的露點溫度表

假設空氣溫度為20℃，相對濕度為60%，那么物體表面溫度低于12℃時，就可能出現凝露，空氣溫度與露點溫度相差8℃。

若空氣溫度為30℃，相對濕度為90%，那么物體表面溫度低于28℃時，就有結露的風險。空氣溫度與露點溫度相差只有2℃。

可以看出，在相對濕度高的環境中更容易出現凝露的現象。

IGBT模塊滿足的氣候標準

賽米控出品的大部分IGBT模塊滿足IEC60721-3-3標準中的3K3氣候等級。在溫度和氣壓范圍之外，3K3氣候等級標定了5%-85%的相對濕度范圍，不容許冷凝的形成。而且，3K3也對絕對濕度規定了最高25g/m3的限定值。

IEC60721-3-3標準使用了氣候圖表來定義允許的溫度和濕度范圍。雖然3K3等級允許的溫度范圍只是從5℃-45℃（如圖3中紅線范圍所示），大部分賽米控產品可以應用在更寬泛的溫度范圍（參見圖3藍線）。因此，賽米控產品數據手冊中對于氣候等級的描述會是“調整過的3K3”或是“溫度范圍拓展的3K3”。

圖4：IEC60721-3-3 3K3對應溫度圖表

從圖4的溫度圖表我們可以觀察到，氣候等級的設計初衷是避免高空氣溫度和高相對濕度同時出現。IGBT模塊在認證過程中必須要通過高溫/高濕反偏測試（H3TRB）,但是在實際應用中這樣的環境條件對IGBT來說會造成非常大的應力，應該盡量避免。

高濕度是如何影響IGBT可靠性的？

現代的工業IGBT模塊都會有個塑料外殼提供一定的機械防護。在殼體內部灌注有透明的軟硅膠包裹住IGBT及二極管芯片來實現導體間的絕緣防護。需要注意的是，這樣設計的IGBT模塊并不具有氣密性。外部的氣體仍然可以通過功率端子及輔助端子與殼體的空隙進入模塊內部。

在潮濕環境中水分子會像之前介紹的一樣慢慢滲透進硅膠并產生如下效應：

1.降低阻斷電壓：硅膠中的水分子會聚集到模塊內部溫度相對更低的區域，如DCB，端子或是IGBT芯片表面。而在帶電的芯片表面，水分子會在電場中隨機排布（見圖5）。這會導致半導體芯片邊緣終端電場分布不均，從而導致阻斷能力下降。

2.導致半導體腐蝕：在水分子和電壓的持續作用下，芯片邊緣鈍化層會發生電化學腐蝕直至擊穿失效。腐蝕效應是一種相對緩慢且長期的過程。

圖5：水分子在模塊內部聚集在芯片表面

遺憾的是，如果應用保護電路動作不夠及時，由于絕緣降低或電壓擊穿后IGBT經常會損毀非常嚴重，濕氣進入模塊內部造成的失效很難找到直接證據。

賽米控的每一款模塊在發布之前都會經過各種嚴苛的可靠性認證測試。其中與濕度相關的是H3TRB測試，即高濕高溫反偏壓測試，它是驗證半導體模塊在高溫高濕環境下長期穩定性的可靠性測試之一。上文我們介紹過，環境濕度會侵入模塊外殼、穿過硅膠到達芯片表面和鈍化層。這項測試可以模擬模塊在這種高濕度環境下的運行情況，檢測出芯片鈍化層的薄弱環節。根據IEC60068-2-67標準，模塊樣品在規定的溫度85℃、相對濕度85%的條件下測試1000小時。測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試中的模塊自發熱從而導致相對濕度的降低。

近年來，為了更加貼近實際應用工況，一些IGBT模塊供應商在H3TRB測試基礎上將反偏電壓提高到阻斷電壓的80%，但不設上限電壓，即HV-H3TRB（高壓高濕高溫反偏測試）。

模塊對潮濕環境耐受能力取決于芯片設計、模塊封裝技術和模塊的制造工藝。從圖6，圖7所示的濕度可靠性試驗的結果可以看出，大多數模塊失效位置是在芯片邊緣鈍化層，與前文分析一致。

圖6a：HV-H3TRB測試IGBT失效案例

圖6b：HV-H3TRB測試二極管失效

為了提高IGBT模塊在潮濕環境中的耐用性和可靠性，各家主流供應商也在持續改進芯片工藝設計。如圖7,8所示，英飛凌新的第四代IGBT芯片邊緣終端就采用了八場板的設計。對比之前四場板設計，場板數量上的增加可以使芯片邊緣電場更均勻的分布，從而可以有效防范水分子聚集而造成的電場不均。

圖7：IGBT4芯片邊緣終端，四場板設計

圖8：增強型IGBT4芯片邊緣終端，八場板設計

賽米控IGBT模塊中的反并聯二極管使用的是獨有專利技術的CAL（Controlled Axial Lifetime）二極管。近期賽米控也將二極管芯片邊沿與第一道場環之間的距離增大。新設計改變了該區域的電場分布，使得水分子電解的可能性降低，從而降低了邊緣終端腐蝕的風險。

圖9：CAL二極管芯片邊緣終端增強設計

盡管IGBT廠商做了持續改進以提高產品在高濕環境中的魯棒性，但可再生能源設備在現場應用中實際遇到的潮濕程度和持續時間很難量化。如果用戶端可以通過合理設計來降低IGBT模塊失效風險，提升系統整體可靠性，又何樂而不為呢！

審核編輯 ：李倩