本篇论文为SwissSEM与德国不来梅大学合作研究取得的最新成果。
论文作者：
Michael Hanf
Raffael Schnell(SwissSEM VP)
Sven Matthias(SwissSEM COO)
Nando Kaminski
译者：SwissSEM 技术支持团队
摘要
大功率半导体模块暴露在污染性（如H2S）和潮湿环境中会对封装材料产生腐蚀。硫和铜会在基板绝缘槽内形成Cu2S枝晶进而缩短绝缘距离。然而，之前的实验表明，即使是枝晶生长过多的模块，在直流偏置下也能够承受高的阻断电压。尽管大多数IGBT在快速瞬态下进行开关动作，但在绝缘间隙中发生欧姆接触会极大改变这种情况。此次研究，1200V硅基IGBT模块在标准封装中经过加速腐蚀气体测试预处理后，将在开关测试台上进行操作，以验证在实际操作中与腐蚀相关的性能问题。
关键词：IGBT, 电力电子, 可靠性, 腐蚀, 鲁棒性, H2S, 硫化氢, 湿度
引言
功率电子器件在各种应用中的广泛使用导致这些器件在使用寿命内面临更广泛的性能特性和应力因素。尤其是变频器和电源经常暴露在含有高相对湿度[1]或反应性污染物，如硫磺[2]的恶劣气候条件下，这会导致运行寿命的减少。许多关于功率电子器件的可靠性研究集中在硅胶（Si-gel）灌封功率半导体模块及其在恶劣气候下的退化表现。这些设备的水汽引起的老化已得到较好研究，故障机制及对电气性能的影响也有文献记载[3]。
对于与离子污染相关的腐蚀产物，情况则不同且较为复杂。如果存在潮湿和气体污染物，如二氧化硫（SO2）或硫化氢（H2S），则会在铜陶瓷基板的绝缘槽中形成硫化铜枝晶[4,5]，导致铜基板之间出现欧姆导电路径。在干燥的直流条件下，芯片的漏电流掩盖了通过枝晶的寄生电流，因此无法测量到与硫相关的退化[5]。基于这些实验，标准工业硅IGBT在加速测试中进行预处理，并分为不同组别以区分退化状态和机理。随后，进行高电流的IGBT关断开关测试，以验证极限运行工况。
气体造成的相关IGBT退化
功率模块针对温度和相对湿度等环境应力因素进行了广泛的加速寿命测试。此外，将高压偏置设置接近额定电压（Vnom），增加应力[6]，且更加近似模拟应用测试场景。在高湿度环境中测试，芯片界面会受到侵蚀，铝的边缘终止区域发生腐蚀，这会导致阻断能力降低[3,6]。除了铝腐蚀外，还可以观察到电化学迁移（ECM）[6]，这是由于制造过程中的污染，金属在高电场区域形成导电路径。如果污染度较低，并且表面灌封材料具有足够的粘附力，则铝腐蚀成为主要的失效机制，此时在基板层不会发现ECM现象。
如果在测试中加入活性污染物如H2S，退化机理会发生显著变化，并且会对铜-陶瓷基板产生影响。为了尽可能简化相关反应方程的解释，这里采用了铜表面代替铜氧化物（Cu₂O）层作为基底。图1展示了一个直接键合铜（DBC）基板的功率模块，其表面覆盖有硅胶（Si-gel）[4]。H₂S和H₂O都能够通过胶体基质扩散，并与金属封装材料反应。
图1：高电压偏置下硅胶覆盖的DBC基板上H2S引起的腐蚀机制
和水汽类似，硫也可以储存在胶中，因此腐蚀可能在实际污染之后很久才会发生。
铜表面在高相对湿度下能够与H₂S反应，形成铜硫化物（CuS/Cu₂S）[7]：
Cu₂S在温度高的位置更容易形成[7]，因此在材料分界位置更可能出现这种反应。初期形成的表面层一般不会造成严重问题，但在基板的绝缘槽中情况则会有所不同，因为在那里存在高电场，并且可能形成电化学电池。参考图1，H₂S分子将通过硅胶到达铜阴极，并发生如下反应：
由于强电场的作用，带负电的硫离子将迁移到阳极：
带正电的阳极会形成Cu+(4)离子，这些离子受到电场的吸引，向阴极移动。由于阳极区域中硫离子的浓度较高，Cu离子将与S离子反应生成Cu2S(5)。这导致了从阳极到阴极在陶瓷表面上逐渐形成枝晶。这种类型的结构在绝缘沟槽一直生长并到达阴极[5]。来自[5]的结果显示，在阴极处存在一种次级效应，其生长速度远快于阳极。一般来说，只要粘附性完好，覆盖有硅胶的DBC基板上不会报告Cu2O枝晶的存在。因此，像[8]中描述的经典电化学迁移（ECM）无法解释该结构，因为Cu离子本身无法到达阴极形成晶枝。然而，这种在阴极处的次级结构在短时间内暴露于高相对湿度和高H2S浓度后会出现。此外，这一效应随时间饱和并从底部到顶部影响整个阴极区域[5]。尚未报告这些结构能够跨越整个沟槽，因此这将被视为测试伪迹，但是它能够在一定程度上减少绝缘距离。
探讨
已记录的与高湿度相关的腐蚀效应已被广泛接受，并且有解决方案可用于避免这种在芯片级别的退化[9]。尽管湿度造成的失效机理得到了理解，但离子污染的影响则改变了这种情况。主要的腐蚀机制是在阳极周围的高离子浓度下形成阳极枝晶。由于通过凝胶的扩散时间常数，这种效应存在一个阈值，当硫化氢（H2S）到达金属界面后，生长才开始。尽管在存在离子污染物的情况下的电化学迁移（ECM）已被很好地记录[10,11]，但这些实验是在没有绝缘材料覆盖金属接触面的情况下进行的。如果添加了表面涂层且粘附完好，则像 [10]中的ECM将不会以那种方式发生。首先，硅胶能够储存比周围空气更高浓度的水（H2O）[12]，对H2S浓度也可能同样如此。因此，高浓度将导致沉淀[10,11]，这会导致阳极而非阴极的生长。在这种情况下，该机理被描述为阳极迁移现象（AMP）[13]，更近似导电阳极丝（CAF）[14]的形成，而不是基于ECM 的枝晶生长。
正如[5]中所述，产生的铜结构对电气性能的影响尚未明确识别。即使在过度生长后，[5]中的功率模块仍能承受其额定的阻断电压，芯片的漏电流仍然完全覆盖了AMP的寄生电流。
实验设计与测试设置
在功率半导体模块的加速测试中，通常使用直流偏置等易于控制的方式对器件施加应力。然而，对于实际应用而言，这种操作和应力条件并未反映实际的应用条件，因此，在直流条件下无害的腐蚀产物，在大电流的开关过程中可能会出现问题。
为此，1200V IGBT模块在高压高温高湿反偏测试（H³TRB）和单一腐蚀性气体测试中进行了预处理，以获得不同的退化状态。这些预处理的器件会采用关断测试验证，然后在试验后再次进行关断测试对比，用于验证寿命测试对动态行为的影响。
表1: 分组概述，数量，试验条件。分组1 (HV-H³TRB)在预处理后仅进行动态测试。
01
测试器件
本次研究采用了一款来自赛晶的1200V/750A ED封装IGBT模块（见图2）。
出于封装设计考虑，这些类型的封装更适合用于这种测试：
• ED封装（SwissSEM）
• EconoDUAL（Infineon）
• LoPak（日立能源）
• 等等
首先，这些封装都具有可拆卸的盖子，以及相对开放的封装设计。可拆卸的盖子使得在中间测量时能够充足监测腐蚀状态而不会损坏设备。此外，在腐蚀性气体测试中，通过去掉盖子，可以直接将凝胶的表面暴露于环境中，从而提高腐蚀速率[5]。
图2:待测器件:ED型IGBT模块
02
测试程序和设置
腐蚀气体测试在气体试验箱中进行，遵循IEC60068-2-43标准，温度设定为40℃，相对湿度（RH）为93%，氢硫气体浓度为50ppm。根据文献[5]，该气体条件能有效加速所需的腐蚀机制，同时湿度不会造成芯片表面退化。另一个值得注意的方面是对气体试验箱的传感器元件进行校准。只有在温度≤40℃时，这种校准才是有效的，以便可以在试验箱内直接使用化学传感器。较高的相对湿度（>90%）会导致传感器元件的早期衰退，但至少可持续进行48小时的测量。图3显示了使用模拟气体传感器（测量范围高达100ppm）和数字湿度传感器（RHT传感器）校准后运行超过48小时。虽然温度和相对湿度在约1小时后趋于稳定，但在整个测试期间，气体浓度并未完全稳定。这可以归因于该气候下的临界相对湿度略超出传感器的极限，并且在40℃时，该传感器处于最大工作温度。使用气体传感器超出此时间范围会导致结果不准确，因此在本实验中未进行此操作。相比之下，具有保护互连的RHT传感器可以持续使用更长时间。
气候验证与腐蚀指示器的校准相结合。根据IEC60068-2-60标准制备了铜条，重量增加和重量损失用于指示腐蚀速率。如文献[5,7,15]所述，在气候箱内的恶劣气候条件下形成了Cu₂S表面。材料的增加导致重量增加，这通过高分辨率天平（10μg）在测试周期前后进行测量。此外，腐蚀后的指示器按照EN ISO 9226:2012标准进行清洗，并进行了重量损失测量。
图3:使用H2S-和RHT传感器对室内气候条件的校准测量
枝晶生长，如定向生长，仅在界面存在高电场的情况下才可能发生。因此，为了监测设备状态并在出现故障时执行断电程序，使用了一个高电压（80% Vnom）的数据采集系统，具有八个独立的通道。在这项实验中，由于基板的辅助集电极布局，仅上桥开关连接到高电压，这可能导致另一种退化路径。每个测试周期后进行了光学检查（图4和图5），以控制器件的腐蚀状态。在表1中，根据相应结构（图1）将不同的腐蚀状态进行了分类。同时，在85℃、85% RH、80%Vnom和40℃、93%RH、80%Vnom条件下分别进行了测试，以作为仅在潮湿应力下的参考。
图4:铜条暴露40°C / 93% / 50ppm H2S的腐蚀监测。
预处理样本在静态和动态测试台上进行了测试，以比较测试前后的电气特性。在动态测试台上，测量了在2·ICES,nom时的关断试验，预计电压过冲达到1200V的总电压。该过程是一个通过/失败测试，旨在验证加速老化测试后的完整工作状态。
预处理结果
01
铜条腐蚀监测
图4显示了所有测试周期的铜条腐蚀监测结果及其相应的重量增加和减少。传感器监测校准全程运行（见图3），而1000小时内的测试周期则使用了RHT传感器（该传感器在最后一个测试周期中失效）。总体来看，每天的重量损失百分比远高于测得的重量增加。这可以通过Cu条纹的脆性表面及其在测试室内的质量损失来解释。每个测试周期结束后，均在腔体周围和测试器输出处的冷凝水中发现了Cu2S薄片。此外，测试持续时间超过250小时，重量增加和减少的速率几乎保持不变。相反，校准运行50小时的和150小时的第一个测试周期在每日质量损失上存在显著差异。含H2S的湿空气中铜的腐蚀速率因Cu2O和Cu2S的钝化效应而高度非线性。随着层厚的增加，铜的供应受到延迟，因此生长速率下降。在[7]中，金属表面在测试时间内的生长速率分为线性部分和抛物线部分。对于图4的结果，也可以假设存在同样的效应，测试周期时间在50-250小时之间的速率急剧下降。特别是测试的前几个小时对层厚度和之后的腐蚀产物重量增加与减少测量有显著影响。
这些测量数据现在可以用来生成一个与实际应用相关的气候条件下的加速因子的概念。由于缺乏以H2S污染为重点的可靠现场数据，因此采用EN ISO 9223:2012中定义的腐蚀分类。图4中的数值将依据EN ISO 9226:2012用于计算腐蚀速率。
由于较短测试周期的质量损失差异显著，Δm 是从最后四个测试周期（类似的损失率）中取平均得到的，结果为：
表2显示了根据EN ISO 9223:2012基于计算（公式7）每个腐蚀类别的铜腐蚀对应加速因素。
表2：按ISO9223相应加速因子的腔室气体类别
表2中的加速因子当然只是测试与应用之间相关性的估算。但是，在知道类别的情况下，通过这些分类，可以将测试中的腐蚀状态拓展到实际应用中。例如，在图3和图4的气体条件下，测试1000小时会导致与在C4类别下14到30年相似的腐蚀状态（基于仅有一种污染物和恒定条件下的腐蚀产物）。
02
IGBT预处理结果
表1中的测试数据基于每个测试周期后进行的光学腐蚀监测。在累计测试时间达到400小时后，每个样品都显示了图1中描述的阴极枝晶。两例展示了这种特定腐蚀状态的样品，如图5 C)所示，被从测试中移除。在图5 D)中，展示了1000小时测试后的最终状态，清晰地证明了初始的阳极生长为主要退化机理。由于非常短的枝晶数量较少，其余样品的测试时间延长至1500小时（图5 E)）。总体来看，与文献[5]中的结果（图5 F)）相比，生长速率明显较低。
图5:不同腐蚀状态的预处理样品与参考状态F)在相同气候条件下的对比[5]:
A)初始状态，B)在85°C / 85% RH / 80% Vnom条件下2000h HV-H³TRB, C)在40°C / 93% RH / 50 ppm H2S / 80% Vnom条件下400h，D)在40°C / 93% RH / 50 ppm H2S / 80% Vnom下1000 h, E)在40°C / 93% RH / 50 ppm H2S / 80% Vnom下1500 h
在这两次测试中，使用了类似的封装、相同的测试设备（但校准不同）以及相同的气体条件。唯一的区别是模块的电压等级及其导致的较低测试电压。在文献[16]中，电场被描述为电化学迁移（ECM）的主导加速因素，并对每种迁移机制设定了明确的阈值。较小的电场可能会导致生长显著延迟，还可能改变最终结构的组成。在这种情况下，基板上的平均绝缘距离约为830微米，这将导致如下电场：
在之前文献[5]中，类似模块的绝缘距离较小，而偏置电压较高，因此电场强度提高了27%。此外，图5中基板的表面在光学视角上明显比文献[5]中的干净得多。这些因素导致了相对较小的枝晶，并且即使在1500小时的环境暴露后，基底的整体绝缘距离依然较高。仅有的两组湿度实验在预处理后没有出现退化，基底的表面厚度相较于初始状态有铜氧化物（Cu2O）增加（见图5）。
测试后的表征
静态结果：
图6：在经历了不同时间段的H₂S腐蚀气体测试（400小时、1000小时、1500小时）以及在没有气体供应的相同气候条件下的暴露（作为参考）之前和之后的静态特征分析。
在腐蚀性气体测试以及40℃和93%相对湿度下的湿度参考样品中，均在预处理前后进行了表征。每个样本在后期生产测试周期中被测量，部分在25°C下获得的值如图6所示。在所有样本中IGBT及二极管的导通损耗测量值均向高电压偏移。这仍然在这些模块的正常分散范围内，考虑到不同的腐蚀状态，很可能是测量假象偏差的原因。对于这些值以及阈值电压（VGE,th）预计不会有显著的衰退。根据高湿度下的测试，阻断能力的减少是已知并报告过的[3,6]，因此，在1200V下ICES的增加可能表明绝缘能力下降或芯片界面存在腐蚀。但从图6的数据来看，在干燥条件下无法确定这些情况。
这次测量的波动归因于前后表征使用了不同的测量系统。主要是，这个封装中的半导体足够坚固，可以在高电压高湿度的条件下存活2000小时，因此在40°C / 93%的条件下没有预期到芯片降解。文献[5]指出，即使存在更为明显的枝晶生长，也不会显著影响阻断能力。图5中的腐蚀状态显示了数量较少的枝晶，它们小到不足以成功短路绝缘沟槽。
枝晶结构的材料组成（尤其是金属浓度）对导电性有显著影响。在存在湿度的情况下，发生击穿故障的可能性更高[8]。因此，又提出了另一种测量阻断电压的方法，即在高相对湿度下的浸泡实验后进行测量。
如图7所示，将受污染的模块放在充满水的空气潮汐箱中。在50℃下，空气中的水分会逐渐饱和，模块可以在湿度环境中浸泡48小时。在下一个特性循环中，仅使用枝晶最长且最多的模块，并将其与新的模块进行比较，以区分温度/湿度和腐蚀带来的影响。图8显示未被腐蚀的模块（一个新模块和一组类别“湿度参考”）以及两个来自分组模块“H2S-1500h”和一组HV-H³TRB样本。潮湿和干燥漏电流曲线之间的显著差异不仅与50°C的较高温度有关。因此，使用了温度补偿[17]将初始干燥曲线移至50℃：
图7:已测试模块和新模块的浸泡实验装置。一个密封空气装满水的盒子在50°C的气体室中储存48小时。
图8: 干燥和潮湿模块的阻断曲线，以及HV-H³TRB参考曲线。HV-H³TRB测试模块由于预期的退化，样品在不同的测量范围内进行，这导致了图中的偏移。蓝色曲线为干燥新模块计算出的50℃(式(9))曲线。
系数C作为漏电流的倍数，可以用来将曲线向上移动到更高的温度。在图8中，这种计算将两种不同的效应分离为温度效应和湿度效应。然而，所有四组在浸泡状态下的测量都显示出相似的现象，绝缘沟槽的腐蚀没有明显的趋势从而无法分离出来。唯一可见的表现差异出现在一个腐蚀装置的700V处，此时曲线向不同斜率偏移。
总之，微小的枝晶结构生长不会导致静态特性的变化。即使在模块在高湿度环境下存储后，也没有证据表明其阻断能力降低。
动态特性：
为了研究动态特性，使用了一种满足设备规格的通过/失败测试。在此情况下，设备必须能够在任何时候断开两倍的额定电流。与静态特性测试一样，测量也被分为干燥和潮湿测量。这些开关测试的结果如表3所示，所有分组都成功通过了该程序。
干燥测试在125°C（电压过冲限制在1200V）的条件下进行，图9（A）展示了一个湿度参考波形（40℃/93%RH/80%Vnom）和一个经过H2S预处理的模块的示例波形。两台设备显示出相同的波形，具有相似的dv/dt和过冲情况。从这些曲线中看不到任何退化的迹象，模块在测试后仍完全正常工作。即使经过2000小时的HV-H³TRB预处理的模块也通过了这项测试，这证明了模块设计具有很高的可靠性。此外，在潮湿条件下进行的测试导致了图9（B）中的波形，VCE处的振荡显著增加。电流被调整到约1.5倍ICES,nom以控制电压过冲。
这些振荡是由于50°C的较低温度和双极半导体芯片改变的开关表现引起的。然而，由于未使用的模块在潮湿条件下显示出相似的开关波形，因此尚未证实腐蚀或暴露于高浓度H2S的影响。
表3:大电流开关试验结果。如果在测试过程结束后模块没有损坏，并且在潮湿测试中调整参数，使电压过冲值接近额定电压，则测试通过。
图9 ：800 V下湿度和H2S预处理模块开关曲线:
A) 125°C, 2·ICES,nom (1500 A)的干燥条件;
B)在50°C和~1.5·ICES,nom (1150 A)的潮湿条件下，减小开关电流以限制电压超调
论述
预处理过的模块仅显示出轻微的腐蚀迹象（少量、短小的枝晶），这与H2S暴露有关，这一发现也得到了静态测试的验证。在可测量的金属材料中没有出现永久性退化，甚至像外壳塑料和硅胶（Si-gel）这样的绝缘材料在承受严苛电气负荷时仍然能够正常工作。在静态条件下的整体优异表现与高电流开关下的动态行为相一致。总之，这种不可测量的退化效应并不存在，在静态条件下，其对动态性能的影响微乎其微。
但是，通过湿度预处理可以改变静态性能。如果IGBT模块受潮，其阻断曲线将向更高的漏电流方向移动。阻断曲线的移动并不关键，因为即使没有提前发生雪崩现象，额定的阻断电压仍能达到。
结论与展望
在这项研究中，标准IGBT模块在恶劣气体条件下进行预处理，以评估腐蚀产物对静态和动态性能的影响。模块的整体坚固设计防止了在2000小时的HV-H³TRB测试后出现严重退化，基板上的绝缘距离减缓了因H2S暴露而引起的枝晶生长。因此，在可接受的时间范围内无法对设备造成足够的退化，以显示出腐蚀对电气性能的显著影响。测试的模块类型在这些气体测试中表现良好，其中一些设计决策可以被视为抑制某些腐蚀效应的改进。特别是H2S引起的腐蚀效应。基底上的枝晶生长被基底设计所阻止，降低了电场并减缓了这一过程。总之，腐蚀产物在光学检查中无害，随后的电学特性也得出了相同的结果。即使经过长时间测试的模块也能在高电流关断事件中不发生故障，而且无法证明高湿度含量的硅胶（Si-gel）是否产生显著影响。
可以对任何硅胶（Si-gel）封装的器件类型进行此项实验，如果腐蚀产物或与气体相关的老化是可以测量的，关断测试可能会产生不同的结果。对于在腐蚀性环境中的应用，如果预期周围空气中存在离子污染，则应考虑模块内部的绝缘距离。
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Addresses of the authors
Michael Hanf, University of Bremen, 28359 Bremen, Germany, michael.hanf@uni-bremen.de
Raffael Schnell, SwissSEM Technologies AG, Lenzburg, Switzerland, raffael.schnell@swiss-sem.com
Sven Matthias, SwissSEM Technologies AG, Lenzburg, Switzerland, sven.matthias@swiss-sem.com
Nando Kaminski, University of Bremen, 28359 Bremen, Germany, nando.kaminski@uni-bremen.de
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