IGBT模块认证测试规范V20.docx
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IGBT模块认证测试规范V20
测试部测试规范
英威腾电气股份有限公司
测试部
规范编码：
版本：
V2.0
密级：
机密
生效日期：
2011.3
页数：
40页
IGBT模块认证测试规范
拟制：
张广文日期：
2011-03-07
审核：
姜明日期：
__________
批准：
董瑞勇日期：
__________
更改信息登记表
规范名称：
IGBT模块认证测试规范
规范编码：
版本
更改原因
更改说明
更改人
更改时间
V2.0
规范升级
新拟制测试项目，升级原测试项目内容及标准。
张广文
2011.3.7
评审会签区：
人员
签名
意见
日期
董瑞勇
吴建安
唐益宏
林金良
张波
IGBT模块认证测试规范
1.目的
检验IGBT模块各项性能指标是否满足标准和产品设计要求。
本规范主要从IGBT结构、电气性能、可靠性等方面全面评估IGBT模块各项性能指标。
2.范围
本规范规定的IGBT模块性能测试方法，适用于英威腾电气股份有限公司IGBT模块器件选型认可及产品开发过程中IGBT模块单体性能测试。
3.定义
●绝缘栅双极型晶体管IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）：
是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大。
MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。
●IGBT伏安特性：
指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。
输出漏极电流比受栅源电压Ugs控制，Ugs越高，Id越大。
它与GTR的输出特性相似，分为饱和区、放大区和击穿特性三部分。
在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。
如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。
●IGBT转移特性：
指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。
它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs（th）时，IGBT处于关断状态。
在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。
最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。
●IGBT开关特性：
指漏极电流与漏源电压之间的关系。
IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。
尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。
通态电压Uds（on）可用下式表示：
Uds（on）＝Uj1＋Udr＋Id*Roh
式中：
Uj1—JI结的正向电压，其值为0.7～1V。
Udr—扩展电阻Rdr上的压降。
Roh—沟道电阻。
通态电流Ids可用下式表示：
Ids=（1+Bpnp）*Imos
式中：
Imos—流过MOSFET的电流。
由于N+区存在电导调制效应，所以IGBT的通态压降小，耐压1000V的IGBT通态压降为2～3V。
IGBT处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。
●平整度：
物体表面凹凸不平及厚薄不均的程度。
●热阻（ThermalResistance）：
在热平衡条件下，两规定点（或区域）之间温度差与产生这两点温度差的耗散功率之比。
结壳热阻为半导体器件结温和管壳规定点的温度差与器件耗散功率之比，散热器热阻为散热器上规定点和环境规定点温度的差与产生这两点温差的耗散功率之比。
●紧固力（TightenPressure）：
保证电力半导体器件与散热器具有良好热接触的组装压力/力矩。
4.引用标准
●GB02900.32-1994-T电工术语电力半导体器件
●GB04586-1994-T半导体器件分立器件第8部分：
场效应晶体管
●GB04587-1994-T 半导体分立器件和集成电路第7部分：
双极型晶体管
●GB04589.01-2006 半导体器件第10部分：
分立器件和集成电路总规范
●GB04937.01-2006-T半导体器件机械和气候试验方法第1部分：
总则
●GB04937.02-2006-T半导体器件机械和气候试验方法第2部分：
低气压
●GB13974-1992-T半导体管特性图示仪测试方法
●GB14113-1993-T半导体集成电路封装术语
●GB19403.01-2003-T半导体器件集成电路第11部分：
第1篇：
半导体集成电路内部目检（不包括混合电路）
5.测试设备
●BJ4822智能大功率图示仪（北京无线电仪器厂）
●34972A安捷伦数据采集仪（美国安捷伦科技有限公司）
●DSO5014A安捷伦示波器（美国安捷伦科技有限公司）
●SD-089电子数显卡尺（上海量具刃具厂）
●CS9932B综合安规测试仪（南京长盛仪器有限公司）
●KMH-1000RL5型可程式快速温变湿热箱（科明科技有限公司）
●QTT-80L可程式湿热箱（深圳市环亚科技有限公司）
●1147A电流探头（美国安捷伦科技有限公司）
●i1000S电流探头（美国福禄克国际公司）
●PT-8010高压差分探头（台湾品质）
6.测试环境
●室温环境：
25℃±2℃
●湿热环境：
85℃，85%
●高温环境1：
85℃
●高温环境2：
120℃
●低温环境：
-40℃
7.测试项目
测试项目清单
★①规格参数比对
★②封装结构测试
★③晶体管电特性测试
★④Ices和IR测试
★⑤绝缘耐压测试
★⑥高温电应力老化测试
★⑦高低温老化测试
★⑧NTC热敏电阻特性测试
★⑨驱动波形测试
★⑩限流测试
★⑪均流测试
★⑫短路测试
★⑬温升测试
★⑭IGBT晶元结温测试
7.1规格参数比对
7.1.1参数比对目的
对于可以相互替代或应用于同一功率等级的IGBT模块，根据厂商规格书对不同厂商不同型号模块参数进行对比，通过对比规格参数差异确保模块替代选型满足产品设计要求。
7.1.2参数比对方法
对于可以相互替代的模块，根据IGBT模块参数对比数据表中的参数，将各个厂商参数值及测试条件分别填写在对应参数栏中。
若某些参数只在某一方厂商规格书中体现，则无此参数的其他厂商对应规格栏填写“-”。
具体数据记录格式请参见附表1.IGBT模块参数对比数据表。
7.1.3参数对比判定标准
参数对比需要同时满足以下条件方为合格
●IGBT的关键参数，替代器件规格不得低于被替代器件规格。
关键参数为：
Ptot、Vce（sat）/Vf、Vces/Vr、Ices/Ir、Ic、Icm、Isc、Rth。
其余参数综合评估。
●所有厂商器件规格均应在产品设计要求规格内。
7.2封装结构测试
◆测试目的
对IGBT模块外形尺寸、基板平整度、内部结构等封装规格进行测量检查，确认IGBT模块封装规格是否与厂商宣称规格一致，或符合我司新器件规范要求。
◆测试细项
●封装外观检查
●封装外形尺寸测试
●基板平整度测试
●封装内部结构测试
7.2.1封装外观检查
7.2.1.1测试方法
注：
测试前，需记录反应模块特征的整体图片（模块丝印前上方45°角拍摄记录）。
在室温（25℃±2℃）下，使用20X放大镜下观察封装外观丝印是否清晰、模块引脚镀层是否氧化、生锈。
模块封装壳体结构是否存在形变缝隙，如有缝隙需要使用厚薄塞规量测缝隙大小。
在完成基板平整度测试及模块老化测试后，重新量测模块以上尺寸参数。
此过程要求对模块进行前视、后视、左视、右视、俯视以及底部视角进行拍照留底，具体数据填写格式参见附表2.IGBT模块封装测试数据记录表。
7.2.1.2判定标准
封装外观检查需要同时满足以下要求方为合格：
●封装外观丝印清晰且标识的规格、品牌、封装信息等与厂商规格书一致。
●模块引脚镀层光洁无氧化、生锈。
●模块外观在放大镜下观察无明显形变。
●样品老化测试前封装无缝隙，老化后封装缝隙宽度≤0.2mm且缝隙长度≤10mm。
7.2.2封装外形尺寸测试
7.2.2.1测试方法
在室温（25℃±2℃）下，使用数显卡尺量测IGBT模块的封装外形尺寸，量测内容包括IGBT模块封装的长、宽、厚、安装孔位置尺寸、安装孔位直径、引脚位置尺寸、引脚高度、引脚直径以及厂商规格书上所标注的其他外形尺寸。
在完成基板平整度测试及模块老化测试后，重新量测模块以上尺寸参数。
具体数据填写格式参见附表2.IGBT模块封装测试数据记录表。
7.2.2.2判定标准
封装外形尺寸应同时满足以下要求方为合格：
●模块规格书中安装尺寸、引脚定义以及引脚截面积符合电路板设计要求。
●模块规格书中引脚定义与替代模块引脚定义一致，且引脚截面积不低于产品设计规格，及跟替代模块引脚截面积相近（满足载流能力）。
●在室温以及老化测试后，模块外形尺寸均在厂商规格书宣称公差范围内。
7.2.3基板平整度测试
7.2.3.1测试方法
在室温（25℃±2℃）下，使用散热膏涂抹工装在IGBT模块基板上均匀涂抹散热膏，散热膏的厚度不超过500μm，推荐300μm。
依据IGBT模块固定所使用组合螺丝型号，设定扭力电批/扭力螺丝刀力矩将IGBT模块固定在标准散热器上。
按照模块规定的紧固力矩和紧固顺序安装模块，所有螺丝紧固分为按照以下步骤进行：
●按照要求紧固顺序及紧固力矩对所有螺丝进行预紧。
●按照要求紧固顺序及紧固力矩将所有螺丝打紧固定。
●所有螺丝打紧后确认模块处于紧固状态，按照规定的紧固力矩和紧固顺序按照以下步骤拆除模块。
●按照要求紧固顺序及紧固力矩对所有螺丝预松。
●按照要求紧固顺序及紧固力矩将所有螺丝取下。
扭力电批/扭力螺丝刀紧固与拆除力矩设置请参见表一：
力矩参照表。
表一：
力矩参照表
螺丝规格
紧固力矩
预松力矩
螺丝规格
紧固力矩
预松力矩
M3
6kgf·cm
6kgf·cm
M5
28kgf·cm
28kgf·cm
M4
14kgf·cm
14kgf·cm
M6
48kgf·cm
48kgf·cm
模块拆除后，将模块基板底部向上与散热器对应固定区域并排放置。
将1cm2网格工装放置于该区域上方进行拍照，具体放置方式如图1：
模块平整度测试对比图所示。
图1模块平整度测试对比图
按照要求紧固顺序及紧固力矩采用标准紧固力矩电批，对模块进行反复20次紧固拆除操作，对模块进行紧固力测试。
紧固力测试期间，对模块及散热器不需要重新涂抹散热膏及拍照，测试过程可以更换紧固螺丝但不得更换模块样品。
在完成反复20次紧固拆除后，擦去模块及散热器上残留散热膏。
重新为模块涂抹散热膏，并按照要求紧固顺序及紧固力矩重新紧固和拆除模块。
模块拆除后，将模块基板底部向上与散热器对应固定区域并排放置。
将1cm2网格工装放置于该区域上方进行拍照，测试过程中数据及图片填写格式参见附表2.IGBT模块封装测试数据记录表。
7.2.3.2判定标准
基板平整度测试要求同一模块完成测试全部步骤后同时满足以下要求方为合格：
●功能性能正常。
●外观及封装尺寸仍符合要求。
●基板与散热器导热硅脂接触面积必须大于总体基板面积80%。
内部晶圆集成区域对应基板位置与散热器导热硅脂接触面积应大于晶圆面积2倍。
7.2.4封装内部结构测试
7.2.4.1测试方法
完成本规范要求的其他测试项目后，在室温（25℃±2℃）环境下，使用专用工具将IGBT模块外壳封装去除。
模块外壳封装去除过程中，应避免破坏模块内部引线。
模块外壳封装去除后，对内部结构图进行拍照留底。
拍照要能够详细反映模块内部晶圆布局、绑定线及晶元拓扑方式和走线工艺布局，并且需要与同类型其他厂商内部结构图片进行对比分析。
晶圆布局对比拍照示例如图2：
模块晶圆布局图所示。
FS150R12KT3内部晶元布局
GD150FFL120C6S
内部晶元布局
U相下桥FWD
U相下桥IGBT
V相上桥IGBT
V相下桥IGBT
U相上桥IGBT
W相下桥
IGBT
W相上桥
IGBT
U相上桥FWD
V相下桥FWD
V相上桥FWD
W相下桥
FWD
W相上桥
FWD
U相下桥IGBT
U相下桥FWD
V相上桥IGBT
V相下桥FWD
U相上桥IGBT
W相下桥
FWD
W相上桥
IGBT
U相上桥FWD
V相下桥IGBT
V相上桥FWD
W相下桥
IGBT
W相上桥
FWD
图2模块晶圆布局图
测试过程中数据及图片填写格式参见附表2.IGBT模块封装测试数据记录表。
7.2.4.2判定标准
封装内部结构测试应同时满足以下要求方为合格：
●要求内部晶圆分布均匀合理。
●引线布局美观，不同电信号严禁交叉布线，严禁采用飞线方式布线。
●内部温度检测电阻位置应布置于或接近内部热源集中区域。
●模块内部爬电距离及电气间隙应符合安规要求。
7.3晶体管电特性测试
◆测试目的
评判模块晶体管电特性是否符合产品设计要求，确认模块晶体管电特性与厂商宣称规格一致性。
注：
受仪器限制，Ic400A或Vces3000V以上的模块暂时无法测试晶体管特性。
◆测试细项
●集-射极耐压（VCES）测试
●集-射极饱和压降（VCE（sat））测试
●栅-射极阀值电压（VGE（th））测试
●内置二极管正向压降（VF）测试
7.3.1集-射极耐压VCES测试
7.3.1.1测试方法
在室温（25℃±2℃）环境下，将待测的IGBT栅-射极短路，接线方式为仪器HV端接IGBT集电极，COM端接发射极。
集电极电源设置的极性选择设为NPN+HV连续，峰值功率选择设为30W。
阶梯发生器设置的阶梯源选择为电压，阶梯发生器的阶数设为0。
测量方法选择的测量方式设为重复模式。
点击软件的开始测试按钮，将集电极电源扫描调节设为合适档位，一般开始可设为额定VCES的1/10左右，缓慢地增加集电极电源的扫描电压。
电压接近器件额定VCES时，将集电极电源的扫描调节为额定VCES的1/100左右，继续增加集电极扫描电压，调节过程中注意观察曲线，当电流达到器件的额定ICES时，停止增加电压，读取此时的电压，此电压即为IGBT的实际集-射极耐压，具体数据记录格式请参见附表3.IGBT晶体管电特性数据记录表。
完成模块高低温冲击测试后，在室温（25℃±2℃）环境下按照以上步骤重新测试，并记录测试数据，具体数据记录格式请参见附表3.IGBT晶体管电特性数据记录表。
测试过程中需要注意以下事项：
●测试多管IGBT时，必须同时将每个管子的栅-射极独立短路。
●测试时保证接线正确，注意人身安全。
合上保护盖才可以测试，避免接触测试端子。
若无法合上保护盖，必须在测试样品旁边放高压警示，避免旁人靠近测试样品。
●要注意集电极电源的扫描电压设置不可过大，（一般可设为VCES的1/10）。
在增加集电极电压过程中，一旦发现电流突然迅猛增大（远远超过规定的漏电流标准时），必须直接将集电极电源电压归零，以保护仪器和器件。
●若需要保存曲线，将测量方法选择的测量方式设单次模式再保存。
●测试结束后必须及时退出软件，注意退出前集电极电源必须先回零，退出软件后才能关主机。
7.3.1.2判定标准
●测试所得VCES电压≥额定VCES电压。
7.3.2IGBT集-射极饱和压降VCE（sat）测试
7.3.2.1测试方法
室温（25℃±2℃）环境下，测试模块接线方式为仪器HC端（主电流回路）及Hcsen端（电压感测）接IGBT集电极、仪器COM端（主电流回路）及COMsen端（电压感测）接IGBT发射极、仪器SGV端接IGBT栅极。
集电极电源设置的极性选择设为NPN+HC脉冲，峰值功率选择设为3kW。
阶梯发生器设置的阶梯源选择为电压，阶梯发生器的阶数设为3，阶梯/偏移幅度设为5V。
显示设置中的水平档设为VDS、2V/格（或5V/格），垂直档按需求设置。
测量方法先设为单次方式，点击软件的开始测试按钮，将集电极电源扫描调节设为合适档位（一般可设为1），缓慢地增加集电极电源的扫描电压。
观察第3阶的输出曲线（VGE=15V），使电流达到1—2倍的IC额定值左右（由于仪器限制，电流最大不可超过400A），再把测量方法设为扫描方式，并设置合适的扫描步长。
读取电流在IC额定值时候的电压数据，此电压即为实际VCE（sat），具体数据记录格式请参见附表3.IGBT晶体管电特性数据记录表。
完成模块高低温冲击测试后，在室温（25℃±2℃）环境下按照以上步骤重新测试，读取电流在IC额定值时候的电压数据，此电压即为实际VCE（sat），具体数据记录格式请参见附表3.IGBT晶体管电特性数据记录表。
测试过程中需要注意以下事项：
●测试时保证接线正确。
●在增加集电极电压过程中，一旦发现电流突然迅猛增大（突然超过IC额定值几倍以上时），必须直接将集电极电源电压归零，以保护仪器和器件。
●仪器HC端和COM端为大电流主回路，连线尽量短，而且必须保证和器件接触良好。
●测试100A以上时，测试设备使用4分钟需要休息10分钟以上。
●测试结束后必须及时退出软件，注意退出前集电极电源必须先回零，退出软件后才能关主机。
7.3.2.2判定标准
●模块老化测试前后室温环境下测量的VCE（sat）电压均小于模块厂商规格中VCE（sat）的最大允许值方为合格。
7.3.3IGBT栅-射极阀值电压VGE（th）测试
7.3.3.1测试方法
室温（25℃±2℃）环境下，将待测的IGBT栅-集电极短路，模块测试接线方式为仪器HC端（主电流回路）及Hcsen端（电压感测）接IGBT集电极、仪器COM端（主电流回路）及COMsen端（电压感测）接IGBT发射极、仪器SGV端接IGBT栅极。
集电极电源设置的极性选择设为NPN+HC脉冲，峰值功率选择设为300W。
阶梯发生器设置的阶梯源选择为电压，阶梯发生器的阶数设为0，阶梯/偏移幅度设为2V。
显示设置中的水平档先设为VDS、2V/格，垂直档设为500mA/格（最小档）。
测量方法先设为单次方式，点击软件的开始测试按钮，将集电极电源扫描调节设为合适档位（一般可设为1），增加集电极电源的扫描电压到10V左右。
然后将显示设置中的水平档改设为VGS、1V/格，缓慢增加阶梯发生器的偏移设置值，调节过程中观察电流，当电流开始抬起，达几十或几百mA时，将测量方法先改为扫描方式。
在曲线中找到IC的值为器件规格中的参考电流值的点，读取此时的电压值，即为阀值电压，具体数据记录格式请参见附表3.IGBT晶体管电特性数据记录表。
完成模块高低温冲击测试后，在室温（25℃±2℃）环境下按照以上步骤重新测试栅-射极阀值电压VGE（th），具体数据记录格式请参见附表3.IGBT晶体管电特性数据记录表。
测试过程中需要注意以下事项：
●测试时保证接线正确。
●在增加集电极电压过程中，一旦发现电流突然迅猛增大（突然超过IC额定值几倍以上时），必须直接将集电极电源电压归零，以保护仪器和器件。
●仪器HC端和COM端为大电流主回路，连线应尽量短，且必须保证和器件接触良好。
●测试结束后必须及时退出软件，注意退出前集电极电源必须先回零，退出软件后才能关主机。
7.3.3.2判定标准
●模块老化测试前后室温环境下测量VGE（th）电压均在模块厂商要求规格范围内方为合格。
7.3.4IGBT内置二极管正向压降VF测试
7.3.4.1测试方法
室温（25℃±2℃）环境下，将待测的IGBT栅-射极短路。
模块测试接线方式为仪器HC端（主电流回路）及Hcsen端（电压感测）接IGBT发射极、仪器COM端（主电流回路）及COMsen端（电压感测）接IGBT集电极、仪器SGV端接IGBT栅极。
集电极电源设置的极性选择设为NPN+HC脉冲，峰值功率选择设为3kW。
阶梯发生器设置的阶数设为0，显示设置中的水平档设为VCE、500mV/格，垂直档按需求设置。
测量方法先设为单次方式，点击软件的开始测试按钮，将集电极电源扫描调节设为合适档位（一般可设为1），缓慢地增加集电极电源的扫描电压。
观察电流，使电流达到1~2倍的IF额定值左右时（由于仪器的限制，电流最大不可超过400A），再把测量方法设为扫描方式，并设置合适的扫描步长。
读取电流在IF额定值时候的电压数据，此电压即为实际VF，具体数据记录格式请参见附表3.IGBT晶体管电特性数据记录表。
完成模块高低温冲击测试后，在室温（25℃±2℃）环境下按照以上步骤重新测试内置二极管正向压降VF，具体数据记录格式请参见附表3.IGBT晶体管电特性数据记录表。
测试过程中需要注意以下事项：
●测试多管IGBT时，必须同时将每个管子的栅-射极独立短路。
●测试时保证接线正确。
●在增加集电极电压过程中，一旦发现电流突然迅猛增大（突然超过IC额定值几倍以上时），必须直接将集电极电源电压归零，以保护仪器和器件。
●仪器HC端和COM端为大电流主回路，连线尽量短，而且必须保证和器件接触良好。
●测试100A以上时，使用4分钟仪器要休息10分钟以上。
●测试结束必须及时退出软件，退出前集电极电源必须先回零，退出软件后再关主机。
7.3.4.2判定标准
●模块老化测试前后室温环境下测量VF电压均小于模块厂商规格的最大允许值方为合格。
7.4Ices和IR测试
7.4.1测试目的
评判模块晶体管电特性是否符合产品设计要求，确认模块晶体管电特性与厂商宣称规格一致性。
7.4.2测试方法
25℃
85℃
120℃
℃
4H
4H
12H
t
在室温（25℃±2℃）环境下，将待测的IGBT门极端子短路，分别在输入/输出主端子与直流侧主端子之间反向施加测试电压。
测试电压等级为厂商器件数据表给定的Vces/VRRM值。
电压上升时间设定为10S，电压持续时间为60S，电压下降时间设定为10S，漏电流上限设定为Ices或IR值，漏电流下限设定为0。
记录测试过程的最大漏电流，具体数据记录格式请参见附表4.Ices和IR及绝缘数据记录表。
完成室温（25℃±2℃）环境下Ices和IR测试后，将模块放置于温箱中设定温度85℃、湿度85%，模块在设置温湿度环境稳定后保持4小时，保持温湿度环境不变按照以上测试步骤进行Ices和Ir测试。
并记录测试数据，具体数据记录格式请参见附表4.Ices和IR及绝缘数据记录表。
完成湿热（温度85℃、湿度85%）环境下Ices和IR测试后，将模块放置于温箱中设定温度120℃，模块在设置温湿度环境稳定后保持4小时，保持温湿度环境不变按照以上测试步骤进行Ices和IR测试。
并记录测试数据，具体数据记录格式请参见附表4.Ices和IR及绝缘数据记录表。
完成高温（温度120℃）环境下Ices和IR测试后，将模块放置于室温（25℃±2℃）环境下，模块在室温环境放置12小
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