功率半导体在高湿度环境下的可靠性

1. H3TRB和HV-H3TRB测试

为了适应现代技术的需要，获得更高的经济效益，必须采用更高可靠性的产品，才能有更高的市场竞争力。首先，我们要先介绍H3TRB测试。H3TRB测试即高湿高温反偏压测试，它是验证半导体模块在高温高湿环境下长期稳定性的可靠性测试之一。我们知道，环境湿度会侵入模块外壳、穿过硅胶到达芯片表面和钝化层。这项测试可以验证模块在这种高湿度环境下的运行情况，检测出芯片钝化的薄弱环节。

根据IEC60068-2-67标准，模块样品在规定的温度85℃、相对湿度85%的条件下测试1000小时。测试电压为阻断电压的80%，但限制在80V。限制电压是为了避免测试中的模块自发热从而导致相对湿度的降低。

其次，我们还需要介绍HV-H3TRB测试。HV-H3TRB是高压高湿高温反偏测试，它是根据市场需求和现场故障经验推出的。在测试过程中，测试电压通常会设置为阻断电压的80%，但没有限制。各个产商目前已逐步在功率模块可靠性测试中实施。

图1：HV-H3TRB 测试模块

图2：IEC标准定义了四种不同等级的测试时间

2.失效现象及理论分析

模块的防潮能力取决于芯片设计、模块封装技术的设计和模块的制造工艺。从众多的湿度可靠性试验的结果来看，大多数模块失效位置是在芯片钝化层。

图3、图4为HV-H3TRB测试中的典型故障现象。

图5、图6是市场上的一个案例。该模块在高湿度环境中使用了几个月，故障现象为IGBT钝化层转角处有一个烧损点。图7为现场相对湿度和温度记录，证实故障发生在高温高湿时间。

图3：HV-H3TRB测试IGBT芯片失效现象实例

图4：HV-H3TRB测试二极管芯片失效现象实例

图5：来自市场上的失效案例

图6：图5失效案例的3D放大图像

图7：现场相关的湿度和温度记录

关于上述的失效现象，有两种不同的失效理论可以解释。

比较传统的一种是：在湿度较高的情况下，水分子会渗透硅胶和塑料外壳，聚集在芯片表面，进而发生电化学反应，逐渐降低芯片的阻断电压。当芯片的阻断电压低于系统要求的电压时，模块就会失效。这种传统的失效模式是一个较为缓慢的过程，受到时间的影响。假如空气中的S、Cl、K等腐蚀性元素较多，则会加速故障的发生。

另一种理论是当水分子凝结在芯片表面时，芯片会在短时间内提高了漏电电流。这种失效情况的发生在短短的几十秒时间内。

图8：钝化层处电化学腐蚀产生的晶枝生长示意图

图9： 芯片表面铝腐蚀铝酸盐的形成示意图

3. 高湿度与凝露

湿度定义了一定体积的空气中水蒸气的含量。我们常用不同的物理定义来描述湿度，比较常见的有绝对湿度、相对湿度、露点等等。相对湿度是指在同一温度下，空气中实际水汽压与饱和水汽压的百分比。它随气压和温度的变化而变化。一般情况下，气压越低，温度越高，绝对湿度和相对湿度就越低。

在绝对湿度、相对湿度和温度的共同作用下，会出现凝露现象。

凝露产生的可能原因有三种：

- 相对湿度过高

- 散热器上或机柜内的温度低于环境温度

- 柜内温度低于露点

图10：常见的凝露现象

在高湿度的环境中出现凝露的风险更高，比如：

假设空气温度为20℃，相对湿度为60%，那么温度低于12℃时，表面可能出现凝露，实际温度与露点温度相差8℃。

若空气温度为30℃，相对湿度为90%，那么温度低于28℃时，表面就有结露的风险。实际温度与露点温度相差只有2℃。

这对于华南沿海、东南亚沿海都是比较普遍出现的环境条件。

图11：露点示意图

4. 防止措施

那么如何预防这一类因高湿度导致的失效呢？我们需要考虑模块工作的气候环境。

大多数功率模块符合EN50178规定的EN 60721-3-3气候等级3K3。在电气间隙和爬电距离方面，可以在EN50178和EN61800-5-1规定的污染等级2的条件下工作。因此，当工作温度低于30℃时，相对湿度不得超过85%。当工作温度在30℃～40℃之间时，最大允许相对湿度从85%线性下降到50%。图7中的故障案例表明，相对湿度和温度已经超过了3K3区域，这将导致故障率增加。

图12：温度、相对湿度和绝对湿度的气候图

轮廓区域对应的气候等级为3K3

在夏季的很多应用中，相对湿度有可能超出模块适应的湿度范围，这将导致应用中的故障率增加。如何防止潮湿对电源模块的影响？可以从这两方面去考虑：降低相对湿度和避免结露。

可以实施的行动有：

- 适当的冷却液温度控制策略

- 预热

- 除湿机

- 如有可能，对机柜进行密封

- 开放式机柜中收集和导流产生的冷凝水

模块厂商也在为提高模块的耐湿能力做探索，逐步实施改善工艺措施。例如，改善硅胶和钝化材料，将消除随着高湿度或凝露增加的漏电流；改善保护环结构将使芯片在高湿度下的阻断电压能力更强。

图13：英飞凌1700VIGBT4结构，4场板

图14：英飞凌1700VIGBT4，大15%的结构，8场板

综上所述，提高功率半导体在高湿度下的可靠性是一个持续的目标，现场环境的多样性和不确定性对模块制造商和用户提出了更高的要求。

参考文献

[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