電動(dòng)汽車已經(jīng)成為許多家庭的代步工具，大家可能想不到，電動(dòng)汽車行駛需要用到IGBT。IGBT是什么？為什么擁有如此大的能量？
IGBT全稱Insulated Gate Bipolar Transistor，即絕緣柵雙極型晶體管，是一種復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，為世界公認(rèn)的電力電子第三次技術(shù)革命的代表性產(chǎn)品，是工業(yè)控制及自動(dòng)化領(lǐng)域的核心元器件。上個(gè)世紀(jì)八十年代，IGBT已經(jīng)出現(xiàn)，發(fā)展至今已經(jīng)經(jīng)過7次迭代升級(jí)。
IGBT具有高頻率、高電壓、大電流、易于開關(guān)等優(yōu)良性能，主要作用是進(jìn)行交流電和直流電的轉(zhuǎn)換、電壓高低的轉(zhuǎn)換，被視為電控系統(tǒng)中的“CPU”。簡(jiǎn)單來說，IGBT能夠根據(jù)信號(hào)指令來調(diào)節(jié)電路中的電壓、電流、頻率、相位等，好似一個(gè)“開關(guān)”，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控。
電動(dòng)汽車具有高度電氣化的特性，這就有了IGBT應(yīng)用的“土壤”。IGBT是影響電動(dòng)汽車性能的核心器件之一，可用于電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)、電動(dòng)控制系統(tǒng)、空調(diào)控制系統(tǒng)、充電系統(tǒng)等，與動(dòng)力電池電芯一起被業(yè)內(nèi)并稱為電動(dòng)汽車的“雙芯”。
比如，當(dāng)IGBT用于電動(dòng)汽車的電機(jī)中時(shí)，電動(dòng)汽車通過電機(jī)來驅(qū)動(dòng)車輪行駛，車內(nèi)電機(jī)系統(tǒng)主要包括電動(dòng)機(jī)和逆變器兩部分，而IGBT模塊是逆變器的核心器件，通過調(diào)節(jié)輸出電能的形式，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)，為汽車運(yùn)行提供動(dòng)力。
高鐵也會(huì)用到IGBT。IGBT模塊是高鐵牽引變流器中的重要部件，通過IGBT模塊的開關(guān)，將直流電壓轉(zhuǎn)換為對(duì)稱的、具有可變振幅和頻率的交流電壓，帶動(dòng)牽引電機(jī)運(yùn)行。
除了汽車、高鐵等交通工具，光伏、風(fēng)電等新能源發(fā)電領(lǐng)域，電視機(jī)、洗衣機(jī)、空調(diào)、冰箱等消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品，都在不斷提高電氣化、智能化水平，傳統(tǒng)電網(wǎng)也在加速智能化，這些應(yīng)用場(chǎng)景都能有IGBT的身影。
IGBT是國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前正加速國(guó)產(chǎn)化。國(guó)家持續(xù)支持工業(yè)半導(dǎo)體材料、芯片、器件、IGBT模塊領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。如工信部在2017年推出“工業(yè)強(qiáng)基IGBT器件一條龍應(yīng)用計(jì)劃”，針對(duì)新能源汽車、智能電網(wǎng)、軌道交通三大領(lǐng)域，重點(diǎn)支持IGBT設(shè)計(jì)、芯片制造、模塊生產(chǎn)及IDM、上游材料、生產(chǎn)設(shè)備制造等環(huán)節(jié)，促進(jìn)IGBT及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
IGBT性能優(yōu)良，在工作中承擔(dān)“重任”，如果質(zhì)量不過關(guān)，芯片或整個(gè)模塊將失去效用或者壽命縮短，這將影響整個(gè)器件乃至產(chǎn)品的正常運(yùn)行。
為了能及時(shí)發(fā)現(xiàn)IGBT潛藏問題，找出器件隱患，應(yīng)對(duì)IGBT進(jìn)行可靠性測(cè)試，這有助于指導(dǎo)廠商更加深入了解其產(chǎn)品可靠性，從而加快產(chǎn)品開發(fā)速度，優(yōu)化工藝流程，提升產(chǎn)品質(zhì)量。
在環(huán)境與可靠性領(lǐng)域，廣電計(jì)量一直致力于走在幫助質(zhì)量提升的前沿。廣電計(jì)量IGBT技術(shù)帶頭人江雪晨博士指出，從可靠性分析來說，IGBT模塊常見的失效模式包括芯片失效和模塊老化失效。前者包括過熱、過壓、過電流等因素，如過熱可能是由于環(huán)境溫度高，溫度保護(hù)點(diǎn)設(shè)置不合適、溫度保護(hù)不及時(shí)，電流過大、器件損耗過高等引起；后者主要是模塊的電極端子、外殼焊接層、芯片鍵合線等部位出現(xiàn)問題。
擁有多年研究和測(cè)試經(jīng)驗(yàn)的江雪晨表示，不同的失效模式可以通過一些可靠性方法進(jìn)行評(píng)估。比如模塊的焊接層老化失效，可以通過溫度循環(huán)、溫度沖擊和功率循環(huán)等來判斷。
IGBT測(cè)試小分享
1、為什么IGBT會(huì)發(fā)生退飽和現(xiàn)象？
答：
根據(jù)IGBT輸出特性曲線，到一定臨界點(diǎn)后，CE電壓迅速增大，而集電極電流并不隨之增長(zhǎng)，這時(shí)稱IGBT退出了飽和區(qū)。在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，IGBT損耗增加，發(fā)熱嚴(yán)重，是需要避免的工作狀態(tài)。
退飽和原因：柵極施加一個(gè)大于閾值的正壓VGE，則柵極氧化層下方會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)反型層，形成導(dǎo)電溝道，當(dāng)CE電壓增大到臨界點(diǎn)，溝道末的電勢(shì)隨著VCE而增長(zhǎng)，使得柵極和硅表面的電壓差很小，進(jìn)而不能維持硅表面的強(qiáng)反型，這時(shí)溝道出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象，電流不再隨CE電壓的增加而成比例增長(zhǎng)。
2、濕度對(duì)IGBT模塊造成的影響？
答：
濕度對(duì)高壓IGBT模塊尤其是殼式封裝來說是十分重要的一個(gè)參數(shù)，因?yàn)槠浞敲芊庠O(shè)計(jì)且半導(dǎo)體界面（比如鈍化層）存在高壓場(chǎng)強(qiáng)。
機(jī)電遷移和鋁腐蝕是濕度引起的功率半導(dǎo)體兩種可能的失效機(jī)理。在第一種情況下，可以在芯片鈍化區(qū)域檢測(cè)到Cu或Ag的枝晶生長(zhǎng)。在第二種情況下，場(chǎng)限環(huán)區(qū)域的鋁金屬鍍層會(huì)發(fā)生腐蝕。
目前，廣電計(jì)量已在IGBT領(lǐng)域持續(xù)布局和開展研究，基于歐洲電力電子中心（ECPE）“汽車電力電子模塊認(rèn)證”工作組發(fā)布的AQG 324標(biāo)準(zhǔn)，廣電計(jì)量能夠提供一系列的IGBT性能及可靠性測(cè)試服務(wù)以及相關(guān)的技術(shù)支持。
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