大亞灣核電站電源系統IGBT老化分析

孫奉龍，伍思弘，林 剛

(中廣核核電運營有限責任公司，深圳 518124)

大亞灣核電核島、常規島以及外圍控制系統中，應用了大量的功率半導體器件，廣泛應用于如表1所示的直流及不間斷電源系統中，包括LA*/LB*/LC*/LD*/LN*等五個電壓等級，100多個系統，總體數量超過1 000個。這些均是電站的控制元件，為DCS提供電源，是電站運行的重要保障。

大亞灣核電站自1994年投入商業運行，嶺澳核電站一期自2003年投入商業運行，涉及的電子裝備至今均已運行十至二十年。在核電站的日常運行維護和大修過程中，不可避免地涉及對一些服役期較長，接近或超過額定壽命的功率半導體器件進行更換。目前的維保策略是每10年就要進行更換，維修成本高，效率低。為降低運營成本，需要對功率元件的老化情況深入研究，運行元件經過長時間的通流后是否存在老化的問題，剩余壽命還有多少，也為維保策略的更新提供依據。本文對更換下的功率器件與新備件進行老化分析，通過加速壽命試驗，評估器件的老化程度及剩余壽命。

1 老化試驗方案介紹

為了分析系統主要功率器件的老化退化特征，評估器件的剩余壽命，為制定器件維修策略提供依據，本文采用基于失效機理的加速試驗評估方法制定技術路線見圖1。

圖1 技術路線圖

針對大亞灣核電站，參照《半導體分立器件試驗方法》(GJB 128A—1997)、《微電子器件試驗方法和程序》(GJB 54B—2005)和《用于半導體器件的失效機理與模型》(JEEP122G—2011)，介紹電源系統IGBT試驗評價項目如下[1-2](見表2)。

表1 電源系統

質量一致性：樣品編號為A組，包括A1、A2、A3子分組；

工藝適應性：樣品編號為B組，包括B1、B2子分組；

結構分析：樣品編號為C組，包括C1、C2子分組；

熱性能分析：樣品編號為D組，包括D1子分組；

耐久性試驗：樣品編號為E組，包括E1、E2、E3子分組。

以此為依據，針對大亞灣電源系統IGBT進行剩余壽命評估。

2 樣品選取及失效機理分析

2.1 樣品選取

樣品A和B選取自嶺澳二期L3LNA系統L307大修更換下來的兩只Front runner生產的IGBT封裝件(型號MBI400U2B-060)，樣品G為庫存新備件，舊件從安裝調試運行至今，已在現場穩定運行十余年，具體選取件及狀態見表3。

2.2 樣品外觀及等效電路圖

樣品正面和側面為塑料外殼，底面為金屬熱沉，樣品外表面沾有白色膠體，側面標識可見，外觀未見明顯損傷形貌，等效電路圖及實物結構圖見圖2、圖3。

圖2 等效電路圖

圖3 實物結構圖

2.3 主要失效機理

針對IGBT的主要失效機理分析，從封裝和芯片兩個方面進行[3](見表4)。

對元件主要部分的失效原理分析及外部激發條件可以看出，對產品封裝的考驗可以通過溫變(溫沖)試驗及潮熱環境來檢驗，對芯片的研究可以通過高溫加速模型進行檢驗。

3 IGBT剩余壽命評估

首先，對3個部件共6個樣品的關鍵參數進行測試，具體數據見表5，作為初始值。

表2 試驗評價項目總表

表3 樣品清單

表4 主要失效機理

從初始的關鍵參數測量可以看出，現場運行了10年的器件與新備件相比關鍵參數無太多差別，也說明了器件狀態良好，在應用過程中不存在較大的老化現象。

3.1 溫沖試驗

通過溫度沖擊來暴露或加速激發樣品內部不同材料界面間的退化，如鍵合界面等，同時激發早期封裝缺陷。選擇B和G兩種樣品進行試驗，其中B為現場已應用十年樣品，G為新備件樣品。

試驗條件：不加電放入溫度沖擊試驗箱，試驗條件為存儲溫度的極值，最高溫度125℃停留15 min，最低溫度-40℃停留15 min，中間溫度變換小于1 min，共進行1 000次循環，在完成1 000次溫沖循環后，再次測量其關鍵參數見表6。

根據試驗后與試驗前關鍵參數的對比可以得出，所有參數未見明顯退化。

由此可得溫沖試驗老化分析結果：①溫沖試驗后，樣品關鍵參數及其特性曲線無退化；②樣品B與G未見老化退化現象。

3.2 加速壽命試驗

加速壽命試驗(Accelerated Life Test，簡稱ALT)被用于確定壽命長短，是基于在比產品“正常”工作條件嚴酷很多的條件下獲得的試驗數據，估計產品在“正常”工作條件下的壽命。在此情況下，通常需要確知失效機理，并能夠根據這個失效機理建立一個具有一定準確度的模型。

3.2.1加速壽命試驗模型

針對加速壽命失效機理進行研究，主要從以下三方面考慮：(1)多晶硅間短路或漏電失效，退化參數為漏電流，激發應力為高溫；(2)鈍化層表面電荷導致的參數漂移，退化參數為閾值電壓、漏電流，激發應力為高溫；(3)熱機械應力導致的鋁遷移，激發應力為高溫。這三種失效機理均與溫度直接相關，采用高溫試驗作為加速壽命試驗，采用兩種高溫反偏與高溫貯存試驗進行檢驗。

表5 關鍵參數測試結果

表6 關鍵參數測試結果2

加速壽命試驗模型：本次加速壽命試驗采用Arrhenius加速模型，Arrhenius加速模型表述為

(1)

式中TTF——故障前工作時間，也可以是其他對壽命的度量；A0——常數，通過對元器件的試驗確定；E——自然對數的底；Ea——激活能(電子伏，能量的一個度量)，每種失效機理，激活能都是不同的；K： Bolzman——常數，8.62×10-5eV/K；T——溫度，K。

將Arrhenius加速模型改寫為加速系數AF形式

AF=eEa/k(1/Tlow-1/Thigh)

(2)

式中Tlow——工作結溫，Thigh——試驗溫度。

結溫計算以樣品A和B的現場實際工作情況進行計算，空調環境為室溫25℃，樣品工作頻率是5 kHz，長時間處于通電狀態，電流為17.6 A，工作時的殼溫穩定為33℃。

樣品芯片結溫計算公式為Tj=Tc+Rthj-c×Ptot=Tj=Tc+Rthj-c×Vce×Ic

Ptot=Vce×Ic

(3)

式中Tc為——殼溫，33℃；Rthj-c——結殼熱阻，≤0.10℃/W；Ptot——器件總功耗；Vce——器件時集電極—發射極間壓降，≤2.5V；Ic——器件工作時直流電流17.6 A。

因此，Tj≤33℃+2.5 V*17.6 A*0.1℃/W=37.4℃，保守計算，選擇Tlow為40℃。

3.2.2加速壽命試驗條件

參照JEP122G，對于不同失效機理決定的產品壽命計算需選取不同激活能。

(1)多晶硅間短路或漏電失效的激活能為0.70 eV；

(2)玻璃鈍化層表面電荷引起樣品失效的激活能為1.13 eV；

(3)由熱機械應力導致的鋁遷移的激活能為0.60 eV。

表7 試驗條件參數表

根據計算結果，選取最保守試驗時間：1 000 h，高溫溫度：125℃，模擬超過十年的預期壽命。

3.2.3加速壽命試驗—高溫反偏試驗

將A1樣品(A樣品中的1號芯片)的G、E極短接，C、E極之間加520 V的直流偏置(80%擊穿電壓)，并放入125℃的高溫箱中進行1 000 h的試驗，在168 h，336 h，504 h，1 000 h時進行測試，測試原理圖見圖4。

圖4 測試原理圖

測試結果見表8。

與元件的初始關鍵參數相比變化很小，元件的關鍵參數合格，證明無老化退化現象。

3.2.4加速壽命試驗-高溫貯存試驗

將A2樣品(A樣品的2號芯片)放入125℃的高溫箱中進行1 000 h的試驗，在168 h，336 h，504 h，1 000 h時進行測試，測試原理圖同高溫反偏試驗，結果見表9。

與元件的初始關鍵參數相比變化很小，元件的關鍵參數合格，證明無老化退化現象。

加速壽命試驗后內部樣貌檢查：3只樣品內部塑料完整，金屬連線完整，A樣品經歷了長期高溫試驗，包裹芯片的膠體已泛黃，B、G樣品內部膠體顏色透明，未見明顯異常。已經在現場運行超過十年的樣品A和B，與新備件G相比，無明顯退化現象；樣品A疊加預期超過十年的加速壽命試驗后，包裹芯片的膠體泛黃是由于經歷了長期高溫試驗，但電氣各項參數仍然沒有明顯退化現象。

在嶺澳二期現場L3LNA系統已運行超過10年的IGBT，更換下來疊加進行了超過10年的老化加速試驗，仍然未見明顯退化失效現象。根據試驗結果可以得出：IGBT的有效使用壽命超過20年；其他現場已運行超過十年的可控硅、二極管等同類型功率半導體器件，經檢查測試，同樣未見老化退化特征。

4 結語

根據已進行的加速老化試驗可以得出，IGBT的有效使用壽命超過20年，其他線程運行超過10年的設備也未見老化退化特征等結論。本工作提供的試驗及分析辦法，能夠有效地解決大亞灣現場電源系統IGBT壽命預估困難的問題，為維保策略提供有效依據。本文總結的解決問題的思路，有益于工程師進行類似器件的老化分析試驗，為相同問題的解決提供參考。