IGBT(絕緣柵雙極型晶體管）是由BJT(雙極結型晶體三極管)和MOSFET(金屬氧化物絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型-電壓驅動式-功率半導體器件，典型結構圖如圖1所示。IGBT既有MOSFET的開關速度高、輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關損耗小的優點，又有BJT導通電壓低、通態電流大、損耗小的優點。

圖1 IGBT結構示意圖[1]

IGBT在電路應用中主要起控制和傳輸作用，作為一種新型電子器件在高電壓，大電流，高速等應用領域具有無法比擬的優勢，是國際上公認的電力電子技術第三次革命最具代表性的產品，廣泛應用于電機節能，軌道交通，智能電網，航空航天，家用電器，汽車電子，新能源發電，新能源汽車等領域。從圖2可以看到，近年來，國內對于IGBT器件的需求持續遞增。

圖22010-2018年中國IGBT需求量（數據來源：公開資料整理）

基于上述應用領域的廣泛性與特殊性，系統對于可靠性的要求必不可缺，因此，IGBT器件的可靠性問題更是重中之重。選用IGBT器件時，除了進行關鍵參數的測試驗證外，還需要通過可靠性試驗對器件進行驗證。目前國內系統論述IGBT的專著和教材比較少，相關國家標準和行業標準有待進一步的完善，機械和氣候試驗方法標準主要參考JEDEC，IEC，MIL等國外標準。針對IGBT的組成部位和關鍵材料開展對應的可靠性試驗測試計劃能夠對IGBT器件可靠性進行更為準確的評價。圖3，表1分別為IGBT器件界面示意圖與各部分材料的功能展示。

圖3 IGBT界面示意圖[2]

表1 IGBT器件各部分材料與功能

常見的工業級IGBT可靠性試驗包含但不限于以下項目：

（1）HTRB（高溫反偏）試驗：HTRB試驗用于驗證穩定情況下IGBT的漏電指標可靠性。HTRB試驗主要考核焦點是IGBT芯片邊緣結構和鈍化層，以及與生產相關的離子污染物。在HTRB試驗過程中一般可以監測到漏電流隨時間的變化。

（2）HTGB（高溫柵極反偏）試驗：HTGB試驗用于驗證在電和熱負載下柵極漏電流的穩定性。HTGB試驗主要考核的焦點是IGBT的柵極氧化層的完整性及移動離子污染。建議在試驗中，持續監測柵極的漏電流和柵極開通電壓，若這兩項參數超出指定規格，則認為模塊將不能通過此項測試。

（3）H3TRB（高溫高濕反偏）試驗：H3TRB試驗用于測試濕度對功率器件長期特性的影響。H3TRB試驗的焦點是IGBT的鈍化層及芯片表面缺陷，包括整個器件結構中的薄弱環節。值得注意的是，在H3TRB試驗后立即測量漏電流有可能出現漏電超標的情況，其原因是大多數模塊設計不是完全密封，水汽也可以隨著時間到達鈍化層，導致試驗后漏電超差。因此，可以對器件烘烤2h～24h并恢復常溫24h后，再測試器件的漏電流，驗證水汽入侵的可能性。

（4）TST（溫度沖擊）試驗：TST試驗主要驗證IGBT在被動溫度變化的情況下對機械應力的抵抗能力。TST試驗考核焦點是IGBT模塊的封裝、基板與DCB間的連接。

（5）TC（溫度循環）試驗： TC試驗用于模擬外界溫度變化對IGBT的影響，驗證器件或模塊的整體結構和材料。尤其是IGBT功率模塊由不同的材料組成一個系統，當受熱和冷卻時，不同材料的熱膨脹系數差異大，兩種界面在受熱或冷卻過程中所受的機械應力就越大。TC試驗的焦點是IGBT芯片與DCB、DCB與基板之間的連接。

（6）PC（功率循環）試驗：功率循環有秒級功率循環（PCsec）和分鐘級功率循環（PCmin）兩種，測試時通過芯片自身工作電流進行主動加熱芯片至目標溫度，然后關斷電流，冷卻到指定溫度。秒級功率循環試驗主要考核近芯片端連接的可靠性；分鐘級功率循環試驗主要考核近芯片端和遠芯片端連接的可靠性。

（7）Vibration（振動）試驗：Vibration試驗用來驗證機械結構的牢固性和電氣連接的穩定性。模擬器件在應用過程中的振動負載，并驗證了器件在出現故障模式(如結構脫落和材料疲勞)時的抗振動能力。

綜上，每一項可靠性試驗項目都有其對應聚焦的失效部位，如表2所示。

表2 試驗項目對應失效部位清單

在掌握器件本身結構材料的基礎上，明確其失效機理及失效模式，才能開展有效的可靠性評估試驗，結合DPA分析等評價手段，能夠對IGBT進行更為完善的可靠評價，用以指導器件選型與電路設計，從而提升產品或系統的可靠性。

參考文獻：

[1]安德烈亞斯?福爾克, 麥克爾?郝康普, 福爾克,等. IGBT模塊:技術、驅動和應用[M]. 機械工業出版社, 2016.

[2]閆美存,張秋. IGBT模塊封裝可靠性及關鍵試驗分析[J]. 信息技術與標準化, 2020,No.430(10):27-32.

[3]于迪, 史典陽, 任艷,等. 工程用IGBT模塊可靠性預計模型探討[J]. 電子產品可靠性與環境試驗, 2015.