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IPM智能功率模块故障测试及失效定位

2018-07-05 11:20 来源:意法半导体 编辑:电源网

随着了工业制造水平的发展,IPM的生产技术得到了极大的发展,器件的可靠性问题将是未来研究的面临的新挑战。针对国内外近年来在智能功率模块失效分析方面的主要研究内容,综述了智能功率模块应用失效的测试方法以及失效定位技术,总结了连续性失效,绝缘性失效,HVIC故障,IGBT故障,NTC故障的测试方法,并分析了这些器件故障可能的失效原因。最终总结了通过测试方法进行快速IPM失效的故障定位方法。

0 引言

IPM(Intelligent Power Module),即智能功率模块,将功率开关器件和驱动电路集成在一起,内部包括了过压保护,过流保护,过温保护,短路保护,欠压保护等检测电路。当发生负载事故或使用不当时,可将检测信号送到CPU,保证自身不受损坏。IPM因其运行可靠性高,功能强大,并具有自诊断和保护功能,广泛应用于驱动电机的变频器和各种逆变电源[1]。

IPM的使用过程中会产生各种故障,在尽可能小的破坏芯片的同时,通过功能测试的方法快速定位失效位置是一项非常关键的技术,也是其中不可缺少的一个重要环节。文章从智能功率模块的结构开始,主要介绍IPM电路结构和模块测试方法,为快速故障区域定位提供依据,大大缩短了失效分析周期。

1 IPM电路结构

以三相逆变器为例,其内部结构如图1所示。

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图1 智能功率模块内部结构原理图

其基本组件包括:

(1)6个IGBT逆变器电路功率模块,IGBT1到IGBT6组成逆变桥。

(2)6个快速超软恢复续流二极管(ultra-soft Freewheeling Recovery Diode, FRD),FRD1-FRD6是与六个主IGNT反并联的回馈二极管。

(3)3个半桥高压栅极驱动器(High Voltage Integrated Circuit ,HVIC),提供了无需光电耦隔离的IGBT驱动能力,大大降低了逆变系统的总成本。HVIC设定了最佳的IGBT驱动条件,驱动电路与IGBT距离短,输出阻抗低,不需要加反向偏压。

(4)1个负温度系数热敏电阻(NTC Thermistor)控制温度变化。IPM内部的绝缘基板上设有温度检测元件,检测绝缘基板温度(IGBT,FRD芯片异常发热后的保护动作时间比较慢),对于芯片的异常发热能高速实现过热保护。

(5)3个滤波电容器(RC),RC1-RC3分别对3个HVIC电源输入端进行滤波处理。

2 IPM故障测试及失效定位

IPM模块内部元器件众多,相互关联相互影响,而分离各个元器件需要首先对芯片进行去模封处理,处理的过程可能产生新的影响。因此,通过测试方法尽快准确定位失效区域是很重要的。对此,本文提出了一个完整的故障测试流程,如图2所示,能够针对IPM模块的各个组件进行测量,在尽可能小的损坏芯片的情况下快速定位故障位置。


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图2 智能功率模块漏电流测试流程

2.1 绝缘性测试

绝缘性测试又称高压测试。测试的基本原理是将一规定交流或直流高压施加在电器带电部分和不带电部分(绝缘外壳)之间以检查芯片绝缘材料所能承受耐压能力[2]。

实验室采用耐压测试仪进行绝缘性测试。如图3所示,将所有管脚短接接测试仪负极,芯片背部铜基板接电源正极,根据产品数据手册,测试电压必须在5s内逐渐地上升到所要求的试验电压值(例如3kV等),保证电压值稳定加在被测绝缘体上不少于5s,此时所测回路的漏电流值与标准规定的泄漏电流阈值相比较,就可以判断被测产品的绝缘性能是否符合标准.

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图3 绝缘性测试示意图

绝缘测试失效时,失效区域主要在封装介质上。主要失效模式包括:

1) 介质内空洞(图4a)。导致空洞产生的主要因素为环氧树脂内的有机或无机污染、封装过程操作不当等。空洞的产生极易导致漏电,进而导致器件内局部发热,降低介质的绝缘性能从而导致漏电增加[3]。

2)机械应力裂纹(图4b):在应用过程中,较大的应力可能造成芯片的应力裂纹,导致耐压降低。如图4所示,顶针压力设置过大,造成DBC, Direct Bonding Copper陶瓷附铜基板产生应力裂纹,最终产生绝缘测试失效。应用过程中的人员的不当操作,机器故障;元件接插操作等都可能产生芯片的外力损伤[3]。

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(a)介质空洞引发的高压从测试失效

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(b)覆铜陶瓷基板应力裂纹造成绝缘失效

图4 绝缘测试故障失效模式

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标签: IPM 智能功率

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