高压器件产品应用及失效分析

邢雁 刘鹏 李树森

摘 要：高压半导体器件的封装形式直接影响器件的使用寿命，在电压达到一定程度时传统焊接工艺的膨胀系数不一致，导致器件电压很难达到要求，因此需要改变传统焊接工艺，而采取压接工艺，但需要对新工艺的失效机理进行研究，本文通过大量实验，得出压接工艺相对于传统工艺很多好处。

关键词：高压；压接；失效

一、高压器件产品依据标准

标准。在IEC60747“分立半导体”中已经描述了符号的概念含义和使用要求。但下面的标准给出了每个半导体结构的详细参数解释，数据参数的最低要求，以及检验和测试方法

IEC 60747-1 一般概论（符号和术语）

IEC 60747-2 二极管

IEC 60747-3 晶闸管

电力半导体的其他重要标准是：

IEC 60191-2 半导体器件的机械标准化，第2部分测量尺寸（标准封装外形图）

IEC 60664 低压电气设备的绝缘（间隙和隔离距离）

IEC 60721 环境条件的分类

IEC 60068 环境试验（测试条件定义）

IEC 60749 机械和气候环境试验方法

还有一些不是国际公认的标准：

JB/T 8950.2- 2013 普通晶闸管 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 整流二极管测试方法

JB/T7626- 2013 反向阻断三极晶闸管测试方法

GB/T 15291-1994 半导体器件和集成电路 第6部分 晶闸管

GB/T 4023-1997 半导体器件分立器件和集成电路 第2部分：整流二极管

二、连接和封装技术

高压器件产品采取以下封装技术。

封装技术。压力连接。同焊接、扩散烧结和焊线柱不同，压力连接不是靠一种粘合剂连接，而是靠接触连接。通过压力能使双方连接，但它可以消除因温度变化和不同材料热敏效应的不同而产生的脱焊。它也没有在其他连接方式中常出现的，因为温度变化而产生的焊接疲劳。它有很高的可靠性。在适宜的形状，把半导体夹在两个冷却片中，可以使热阻降低一半。大面积和小面积压力连接是有相当大的区别。

大面积的压力连接。它要求被连接双方的接触面干净，然后被大力地挤压在一起。两个被接触的表面不能被冷焊接，否者就会滑动。通过设计合适的连接面，可以使它很可靠的工作。

小面积的压力连接。这是指线形或者点形的接触面积。对于这么小的接触面积，往往一个小的压力就足够。它的压强如此巨大，以至是使接触面能穿透接触表面的氧化层。这种连接被用于弹簧型模块控制。

三、可靠性试验

可靠性是高压器件最重要的品质特性之一，可靠性即是在一定的时间内保证能满足工作要求的特性。一边是高压器件满足要求正常工作，另一边是早期故障的危害，它直接和间接带来的损害和导致高成本。因为使用器件的长寿命（10到30年）和检测过程十分复杂，所以对于小生产批量的高压器件的可靠性给出准确的数据是很困难的。但可以通过以下方法改善可靠性。

准确控制生产全过程；

模拟实际情况进行可靠性检测，解决典型故障；

在整个系统中测试并观测元件的重要参数特性；

在可靠性方面台基公司提出的口号是“可靠性设计”。这就意味着在一个高压器件设计时，就考虑到组件老化问题。它应该采取尽可能多的安全措施，使高压器件的寿命满足整个系统的寿命要求。

测试产品合格标准。可靠性测试的目的是：

确保产品的整个质量和可靠性

通过在不同的测试条件下确定产品的极限值

检查生产工艺过程的稳定性

评价工艺变化对产品的可靠性影响

下面的测试是批准生产高压产品的最低要求测试。对于新产品和进一步开发以及重新获得合格产品将使用下列测试标准，个别产品还得增加其他的可靠性测试。可靠性试验是破坏性试验，并应选取一定数量的生产样品进行实验。

为了估计使用寿命，在试验前、试验中和试验后都应对高压器件参数进行测量。当以下一个参数有变化时，就可认为出现失效：

晶闸管/整流管

反向重复峰值电流/断态重复峰值电流IRD/IDD： 超过上限+100%

门极触发电压/电流VGT/IGT： 超过上限+10%

通态压降VT/VF： 超过上限+10%

（1）高温反偏试验（HTRB），湿热试验（THB）。这两种试验主要检测芯片的阻断能力，了解氧化层钝化环的质量。试验是在专用仪器与设备中进行的。在试验过程中，要检测泄漏和反向重复峰值电流。在结束后还要经过有关静态电气参数测试。

（2）高低温存储试验（HTS，LTS）。试验在极端温度环境下考核器件的高安全品质。

（3）温度循环试验（TC）。在这个测试试验中的器件放在一个托盘中，定时由人工移动到高温和低温区中。该器件被被动加热和冷却。为了使器件的温度同所在环境的温度相同，所以要保证测试过程的时间相对比较长。通过这个试验，要检验因温度变化而在各层产生的张力，以及这种张力带来的变化。它模拟了日常白天和黑夜的情况。对于工业应用中，通常要求是至少5次在最低和最高温度（-40℃/+125℃）之间试验。

（4）功率循环试验（PC）。在功率循环试验中，温度的变化是周期性的，升温由器件因内部损耗而产生温度升高，而冷却是使用外部冷却装置再使半导体冷却。为了加热必须给器件加上一个恒定的，大小等于额定电流值的直流电流。变化周期为1秒到数10秒的时间。主动加热会产生一个从芯片经过外壳直到冷却片的温度梯度下降的变化。通过这个试验可以检查不同层次的热机械应力的影响。它模拟了半导体在实际工作中的负载情况。会得到同温度相关的循环特性曲线，最后会简化成在全部温度范围的失效曲线。为了加速试验，我们选取温度变化较高的ΔT值（例如，ΔT=80K和，ΔT=100K），然后推算出实际应用时，温度变化小的情况。

（5）振动试验。振动试验是在频率范围从10到至少1000赫兹和一个5g加速度条件下进行的。有时会加大加速度的数值。根据不同的检测设备一般是把最低频率同最高的加速度放置在同一时间里。试验的主要任务是找到在机械结构上的漏洞，包括：外壳和结构部分的损坏和裂缝。根据不同用途的结构形式会得出不同的测试意见，并可能导致不同的最大加速度。

四、高压器件产品的应用

晶闸管和整流管的设计选择。当他们在50/60赫兹的频率工作时，开关损耗可以被忽略。对于特定的要求选择一个功率元器件需要考虑下列方面：

—电压负载能力；—在确定的冷却条件下，电流负载能力；—工作的环境。

这些问题在稳定和瞬间状态（瞬间过载）上可能的变化。

在任何情况下，不论是静态或者动态的情况下，都不得超过数据文件中给出的极限值，例如，阻断电压，峰值电流和结层温度的上限等。为了提高可靠性和寿命，器件的选用应留有一定的裕量，因为必须考虑负载的变化，特别是温度发生变化时带来的影响。还要进一步考虑到有一些一般理论解释不清的，半导体发热到极限值Tj（max）时的热负载问题，以便保证器件安全可靠的工作。

（1） 阻断电压。整流管和晶闸管的导通损耗受电压负载的影响较小。在选择元器件时要注意留有一定的安全系数，特别是在受控工作和元器件的耐压参数。在额定网络电压VN时二极管和晶闸管的截止电压按照下表给出的推荐值选择：

首先必须确保最高电网电压不会超过器件的最大耐压值。它不但是在稳定状态时的最高输入电压（额定值+容差，如

10%）不能超过，而且在输入瞬时过电压值也不能超过，比如不经过线路滤波器时的值，以及刨去因为内部电容器和直流端接线电路（抑制器，缓冲器，压敏电阻）降低的电压值。对于瞬态电压尖峰，它往往比峰值电压（VRSM）稍高。应当指出，所有参数都是在温度为25℃时给出的，阻断电压是受温度影响，并具有正温度系数。该组件的阻断电压依赖自身，并可能会比给出的温度系数（V/K）略小一些。

（2 ）整流管。（a）连续运行的热负荷。在连续运行时，对正向导通电流负载的解释是参数的平均功耗PTAV乘以总热阻Rth

（j-a）。这个乘积不允许大于环境温度Ta和最大允许结层温度Tj之间的差：PFAV×Rth（j-a）≤Tj-Ta，对于计算功耗可用下面公式：PFAV=VFO×IFAV+rF×IFRMS2。对于典型的二极管的电流形式（180°正弦波，120°方波）可以简单计算出电流波形系数：Fi= IFRMS/IFAV。其中，PFAV是一个变量，通常以电流

IFAV的函数形式给出：PFAV=VFO×IFAV+rF×Fi2×IFAV2。这些计算公式构成了SEMIPRO设计软件的理论基础。在数据文件中还有一些图表和曲线，它能帮助用户选择产品。（b）更高频率时的负载。对整流器往往忽略它的开关损耗。在50Hz的工作频率开关损耗占总损耗的1%到2%，因此在设计时，他被设计容差所覆盖，所以可以被忽略。当工作频率到200Hz时，开关损耗的上升和因为较高网络工作频率而带来温度纹波下降，它们部分相抵消。对于更高的频率，降低电流值是必要的。例如，在500Hz时，必须考虑到开关损耗会增加15%到20%。（c）在

10ms左右的冲击（浪涌）电流的极限值。整流管必须承受短时间的短路负载，这时的电流是通过网络电压和阻抗来计算冲击（浪涌）电流的大小。它可用一个没有充电的电容负载来模拟短路情况。通常，人们在短路或者很高过载时提起保险丝或其他保护装置，在短路时，整流管没有反向阻断电压，然后短路电流导致二极管关断。在一些特殊情况下，我们可以限制短路电流，使其在一定的短时间内流过整流管和其他器件，但不会给整流管和其他器件造成损坏，过了这段时间短路现象消失。

（3）晶闸管。（a）连续运行负载。在持续工作状态，必须考虑晶闸管结层温度随着工作频率产生的脉动问题。在晶闸管，通过改变电流的相位角度来调节输出电压，对于感性负载使用减弱导通角的矩形脉冲，对欧姆负载使用“切割”过的正弦半波。晶闸管的ITAV-PTAV-Rth曲线图是同整流管的相似，它们的使用方法也类似。所不同的是，晶闸管散热器热阻Rth（c-a）是在环境温度Ta下，晶闸管热阻和散热器热阻的和，而不是散热器的热阻Rth（j-a）。（b） 短期和间歇性负载。对于晶闸管短期或间歇性负载，如同整流管，必须精确计算。脉冲瞬态热阻抗Zth（t）加上列表给出的额外热阻抗Zth（z）而得到。另外，额外热阻抗应考虑到工作频率引起的结层温度的脉动起伏。（c）在10毫秒左右的冲击（浪涌）电流的极限值。晶闸管同整流管相同。还有一点必须指出的，当冲击电流出现会使晶闸管产生很高的结层温度，这时的晶闸管会暂时失去可控性。它就像一个整流管，既在正向电压下，立即进入导通状态。（d）临界的电流和电压上升率。晶闸管除了单纯的热力学测量外，还必须注意遵守临界电流上升率（di/dt）和临界电压上升率（dv/dt）。在大多数情况下，并联在晶闸管的RC网络会产生相当大的di/dt变量。因此，必须保证由其他电路产生的电流上升率远低于临界值。对于整流管，通过相对选择较小的RC元件，已经使电压上升率降到非常低的水平，但这对于晶闸仍然无法承受，这对于变流器和变流开关是同样适用。对于逆变器，特别是四相限电流转换器，在一个晶闸管被触发时，出现电压击穿，所以就会使在另一分支的晶闸管出现很陡的正向电压峰值。它不会被RC电路滤除，因为在正向电阻是感性负载。对这类场合，必须使用高临界电压上升率（1000V/us）的晶闸管。（e） 触发特性。在实际应用中触发电流应尽可能的接近给出的IGT值，这样可以保证在低温下也安全触发，当然PGM值是无论如何不可以超过的。此外，触发脉冲电流应尽可能陡的上升前沿，我们建议使用5倍的IGT值和至少1A/us的上升率。当触发脉冲低于这些值时，临界电流上升率di/dt下降的很快！触发脉冲的宽度取决于主电路的负载。对欧姆负载，一个宽度时间至少10微秒的短小脉冲就足够触发，使主电路回路的电流迅速上升。对于感性负载，电流增加缓慢。但是，在晶闸管旁通常有一个并联的RC电路，它的放电电流帮助了晶闸管的触发。如果不是这种情况，那就必须使用更宽的触发脉冲或更好的脉冲串。（f）并联晶闸管的选择。根据上述分析，并联晶闸管应选择开通时间和通态伏安特性一致的器件。这里所说的通态伏安特性一致，并不是简单的指在某一电流点上器件的压降一致，而是指在器件工作的整个电流范围内，均具有一致的压降特性。由于器件实际特性的差异性，我们在给用户匹配并联器件时，优选考虑器件在正常工作大电流区段的压降一致性，以保证用户使用中器件的可靠性。用户需要用到并联器件时，可在订货时注明要求，并说明器件实际工作电流，台基公司会根据用户的具体情况，测试挑选合适的器件。