IGBT和模块的标准体系解读

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作者:陈子颖,来源:英飞凌工业半导体

正确理解IGBT和模块的标准体系,对了解产品特性,指导系统设计用足产品特性,符合规范很有帮助,熟悉标准的工程师会在系统设计中更游刃有余。

IGBT绝缘栅双极型晶体管是半导体产品,主要需要符合半导体标准,包括产品标准,测试标准及机械和气候试验方法标准等。

功率模块是半导体的一种封装形式,通过内部芯片并联实现更大的标称电流,或设计成应用所需要的电路拓扑结构。它除了要符合半导体体系标准外,也需要符合应用系统的安全标准。针对特定应用开发的产品也要参照系统标准。

在整个产品标准体系中,有JEDEC,IEC,MIL等;在特定的应用领域,也有国家标准和行业标准。

IGBT器件标准体系

IGBT是半导体,半导体有自己的行业协会,即JEDEC,全称Joint Electron Device Engineering Council。它是全球微电子产业的标准机构,已经制定并维护着1000余项标准与出版文件。JEDEC的主要职能包括制定术语、定义、产品特征描述与操作、测试方法、生产支持功能、产品质量与可靠性、机械外形等标准。

JEDEC有50个委员会和分委员会,如JC-11,JC-14,JC-25等。

JC-11: 机械(封装外形) 标准化委员会

JC-11职责范围包括制定设计指导文件;确定机械特性的标准测量方法,半导体封装与组件的标准类型与注册类型的机械外形等,关于半导体器件的外形的文件JEDEC出版物JEP95就有3000多页。常见IGBT单管封装形式TO-247就是由JC-11委员会制定的。

JC-14: 固态产品的质量与可靠性标准化委员会

JC-14负责封装器件和晶片级可靠性标准,硅器件芯片及封装成品的可靠性鉴定与监测以及质量流程与方法和失效分析等。客户常见的PCN文件 Process Change Notice的缩写(工序改动通知 ),是按照 IPC/JEDEC联合标准发布的(J-STD-046 CUSTOMER NOTIFICATION STANDARD FOR PRODUCT/PROCESS CHANGES BY ELECTRONIC PRODUCT SUPPLIERS)。

JC-14还规定了可靠性试验规范,如HTRB高温反向偏置试验,H3TRB高湿高温反偏实验,TC温度周次等实验的测试方法及判定依据。

JC-25: 晶体管委员会

JC-25的职责是制定包括硅晶体管,如双极晶体管、场效应晶体管和绝缘栅晶体管,以及智能功率器件的相关标准和出版物,这些文件有的对工程师在应用IGBT时都很有帮助,其中有如何测量管脚温度,如何用红外成像测芯片温度以及短路测试方法等。

JEP84A RECOMMENDED PRACTICE FOR MEASUREMENT OF TRANSISTOR LEAD TEMPERATURE

JEP138 USER GUIDELINES FOR IR THERMAL IMAGING DETERMINATION OF DIE TEMPERATURE

JESD24-9 SHORT CIRCUIT WITHSTAND TIME TEST METHOD

此外,JEDEC制定了一系列测试方法,基于这些方法,可以开发实用的测试仪器及测试平台,例如 Mentor热瞬态测试仪T3STER就是基于JESD51-14开发的。

JESD51-14 TRANSIENT DUAL INTERFACE TEST METHOD FOR THE MEASUREMENT OF THE THERMAL RESISTANCE JUNCTION-TO-CASE OF SEMICONDUCTOR DEVICES WITH HEAT FLOW THROUGH A SINGLE PATH

模块标准体系——IEC

IEC是指国际电工委员会。它成立于1906年,是世界上成立最早的国际性电工标准化机构,负责有关电气工程和电子工程领域中的国际标准化工作。第83届IEC大会于2019年10月14日至25日在中国上海举办,主题为“质量成就美好生活”,共邀请100多个国家的3800多名专家来华与会。

半导体器件属于TC47技术委员会,IGBT单管和模块属于SC47E分立半导体。这里分立半导体是区别于集成电路,也包括模块。英飞凌模块设计主要参照IEC系列标准。

IEC60747系列标准规定了HTRB,H3TRB,PC和TST等可靠性实验的测试标准,IGBT器件遵守的标准为

IEC60747-9 Semiconductor devices-Part 9 Insulated-gate bipolar transistors (IGBTs)

IEC60747-9对应的国标是GB/T 29332—2012半导体器件分立器件,其中第9部分:绝缘栅双极晶体管(IGBT),英飞凌是主要起草单位之一。

IGBT模块所遵守标准是IEC60747-15 Discrete semiconductor devices-15 Isolated power semiconductor devices。

机械和气候试验方法标准适用标准为IEC60749 Semiconductor devices - Mechanical and climatic test methods,对应的国标是GB/T 4937.1半导体器件机械和气候试验方法。

应用系统相关标准

IGBT应用非常广,有些应用领域和行业针对其特定应用要求,制定了相关标准。

在直流输电领域是高压大电流应用,对IGBT特别的要求,SAC/TC60/SC6(即原来的TC413)组织成立了工作组,制定了国家标准GB/T37660-2019 《柔性直流输电用电力电子器件技术规范》,并于2020年1月1日实施。英飞凌派员加入工作组,参加了起草工作。

在汽车行业中,有两份相关标准为业内人士熟知:

汽车级分立半导体应力测试方法,由欧洲杯足彩竞猜 委员会(AEC) 制定,标准名为AEC-Q101 STRESS TEST QUALIFICATION FOR AUTOMOTIVE GRADE DISCRETE SEMICONDUCTORS。

汽车用IGBT模块验证规范,2018年4月由 ECPE 欧洲电力电子研究网络发布,标准名为AQG 324 Qualification of Power Modules for Use in Power Electronics Converter Units (PCUs) in Motor Vehicles,它前身是LV324,由汽车行业的厂商代表编制,包括奥迪,BMW,戴姆勒,保时捷,大众等。

IGBT7 1200V Easy2B模块的产品测试报告

图:IGBT7 1200V Easy2B模块的产品测试报告

英飞凌的IGBT模块通过UL安全认证,执行的标准是UL 1557, Standard for Electrically Isolated Semiconductor Devices,但注意认证是有COA的,即认可条件限定。UL报告和COA可以在UL官网上找到。

一句话总结:“ IGBT标准体系分两部分,IGBT器件设计生产主要参照JEDEC标准;功率模块主要参照IEC标准,安全认证为UL。”

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