IGBT-модули EconoPACK™+ от Infineon с защитой от сероводорода

9 февраля

управление питаниемInfineonстатьядискретные полупроводникиIGBTAC-DCMotor Drive

Алексей Гурвич, Оливер Шиллинг и другие (Infineon Technologies)

С каждым годом на рынке возрастает число частотно-регулируемых приводов (ЧРП). В настоящее время ЧРП широко используются во многих промышленных приложениях. В некоторых применениях, таких как производство бумаги, горнодобывающая промышленность, резиновая промышленность и прочие, силовые полупроводники могут подвергаться воздействию агрессивных газов. Компания Infineon представляет новые IGBT-модули серии EconoPACK™+ с защитой от H2S, результаты испытаний которых представлены с данной статье. Также будет дан обзор существующих стандартов, описывающих воздействие агрессивных газов. Типичные условия эксплуатации с высокой концентрацией газа H2S привязаны к категориям ISA-S71.04-2013 и к спецификациям лабораторного испытания.

Как правило, коррозия вызывается химической реакцией, происходящей при взаимодействии между металлом и веществами окружающей среды. Для электронных компонентов наиболее вредоносными веществами являются кислотные газы. Ситуация может ухудшиться при наличии колебаний температуры или влажности, которые могут привести к конденсации и образованию проводящих растворов на поверхности электронных компонентов и внутри них. В данной статье мы сосредоточимся на рассмотрении воздействия только сероводорода (H2S) как наиболее критичного коррозионного загрязнителя для силовых полупроводников. Модули IGBT в рабочем режиме обычно нагреваются до высоких температур. Этот фактор, наряду с вероятностью относительно высокого уровня влажности в процессе эксплуатации, приложенным напряжением и загрязнением сероводородом, будет вызывать рост кристаллических проводящих структур Cu2S в разделительных бороздках керамической подложки с прямой медной связью (DCB), что в худшем случае может привести к короткому замыканию. Этот механизм идентифицирован как основная причина отказа IGBT-модулей, работающих в агрессивных средах. Данное утверждение хорошо подтверждается путем тестирования и анализа отказавших модулей, возвращенных с мест эксплуатации.

На всех промышленных объектах невозможно обеспечить надлежащую вентиляцию воздуха или контроль температуры и влажности в зоне установки ЧРП. Также это вопрос цены, которую конечный потребитель должен заплатить за новые установки и их техническое обслуживание. Усилия и затраты на проектирование герметичного шкафа для инвертора тоже довольно высоки. Промышленности требуется экономически эффективное легко интегрируемое решение для защиты инвертора. Спрос на защищенные от коррозии IGBT-модули в соответствующих областях применения растет.

Концентрация вредных газов в окружающей среде, описанная в международных стандартах

Существуют различные источники информации, в которых в рамках стандартизации описаны величины концентрации вредных веществ для реальных условий эксплуатации. Одним из таких источников является групповой стандарт МЭК 60721, который применим для широкого перечня прикладных сред в соответствии с его субстандартами. Другим источником является стандарт ISA 71.04, который применяется к условиям окружающей среды для систем измерения и управления технологическими процессами. Приведем краткое сравнение.

МЭК 60721-1 [1] содержит общий перечень параметров окружающей среды и степени жесткости их воздействия. В нем перечислены химические вещества (соль, SO2, H2S, NOx, O3, NH3, Cl2, HCl, HF, углеводороды) и предложена классификация степеней жесткости, в зависимости от концентраций этих веществ, однако не упомянуты условия использования. Этот пробел будет закрыт в следующих подразделах МЭК 60721-3-1/2/…6 [2], которые содержат классификацию различных применений. Для химически активных веществ указаны средние и максимальные значения, в зависимости от степени жесткости (класс С1…С4). Каждый подраздел содержит таблицу с различными значениями для максимальных концентраций и для классов выше С1, включая также средние концентрации. Концентрации, описывающие степень жесткости каждого класса С, как правило, не различаются, в зависимости от применения. На рисунке 1 приведен пример для H2S. За одним исключением – 6. Корабли: класс C2 и класс C3, – классы C не отличаются для разных применений. То же верно и для других загрязняющих веществ.

Рис. 1. Диапазон (среднее...максимальное значение) концентраций H2S в соответствии с МЭК60721-3-1/2/3/4/5/6

Рис. 1. Диапазон (среднее…максимальное значение) концентраций H2S в соответствии с МЭК60721-3-1/2/3/4/5/6

Чтобы получить приблизительное представление о типе окружающей среды, к которой относится этот или иной химический класс, полезно ознакомиться с описательным разделом в приложении МЭК60721-3. Например, класс С1, предназначенный для стационарных, защищенных от непогоды применений, обычно представляет собой места в сельских и городских районах с низкой/умеренной промышленной деятельностью или с умеренным движением (МЭК 60721-3-3, приложение A. 3.3). Последующий класс С2 описывает местоположения в городских районах с промышленной деятельностью или интенсивным движением. Более высокие классы, такие как С3 и С4, встречаются только вблизи источников, выделяющих определенные химические вещества. Поэтому сочетание всех загрязняющих веществ не должно рассматриваться для классов С3 и С4.

В стандарте ISA 71.04 [3] определен иной подход. Для воздушных газообразных загрязняющих веществ уровень жесткости условий окружающей среды классифицируется путем измерения скорости коррозии (толщины корродированной пленки, нормированной к тридцатидневному воздействию) пластин Cu и/или Ag, которая определяется как “уровень реактивности” окружающей среды. Выделяются различные классы: мягкий, умеренный, жесткий и суровый. В таблице B1 ISA 71.04 опубликованы концентрации газов, которые “предположительно, приближаются к уровням реактивности”.

Для сравнения уровней концентрации газов между обоими стандартами был выбран класс С2 из МЭК 60721-3, поскольку это самый высокий класс, для которого должна рассматриваться смесь газов, что также относится к ISA 71.04. В таблице 1 приведен обзор уровней концентраций для четырех загрязняющих веществ, которые могут появляться вместе и оказывать коррозионное воздействие на металлы. Сравнение максимальных значений показывает, что для SO2, H2S и Cl2 значения концентрации C2 стандарта МЭК соответствуют “суровому” уровню (уровню GX) стандарта ISA. Это удивительно, потому что С2 якобы представляет городские районы, что указывает на то, что концентрации, приведенные для химических классов в стандарте МЭК 60721, каким-то образом завышают реальные условия жизни или же концентрации, представленные в ISA 71.04, слишком малы. Поэтому в целях разработки надежности мы сосредоточимся на уровне реактивности. Цель состоит в том, чтобы получить репрезентативные значения для различных вариантов использования, включая загрязненные среды. На следующем этапе квалификационные испытания по концентрации вредных газов проводятся в условиях с ускорением процессов.

Соответствующей мерой ускорения является отношение уровней реактивности. Детали методики были подробно описаны в документе [4].

Таблица 1. Сравнение концентраций вредных газов по классу 3С2, представляющему городские районы, и доступных классов по стандарту ISA 71.04, а также уровни реактивности из стандарта ISA

Параметр Классы стандарта МЭК 60721-3 Классы стандарта ISA-71.04 Сравнения значений концентрации
3C2 G1 (мягкие условия) G2 (умеренные условия) G3 (жесткие условия) G4 (суровые условия)
Уровень реактивности меди (серебра), [Å/30 дней] <300 (<200) <1000 (<1000) <2000 (<2000) ≥300 (≥200)
Тип газа Среднее c [ppm] Максимальное c [ppm] Максимальное c [ppm] c [ppm]
SO2 0,11 0,37 0,01 0,1 0,3 ≥ 0,3 МЭК 60721-3 C2 соответствует суровым условиям ISA GX
H2S 0,071 0,36 0,003 0,01 0,05 ≥ 0,05 МЭК 60721-3 C2 строго соответствует суровым условиям ISA GX
Cl2 0,034 0,1 0,001 0,002 0,01 ≥ 0,01 МЭК 60721-3 C2 строго соответствует суровым условиям ISA GX
NOx/NO2 0,26 0,52 0,05 0,125 1,25 ≥ 1,25 МЭК 60721-3 C2 находится между умеренными (G2) и жесткими (G3) условиями ISA

Классификация условий окружающей среды по степени воздействия агрессивных газов, согласно результатам испытаний на медных пластинах

Появляющийся в результате геотермальной активности сероводород также обычно является побочным продуктом различных промышленных отраслей, таких как нефтегазопереработка, добыча полезных ископаемых, производство резины и шин, целлюлозно-бумажная промышленность, металлургия и другие. Как обсуждалось в предыдущей главе, метод мониторинга химической активности (уровня реактивности) будет использоваться для количественной оценки уровня коррозионного потенциала и возможного воздействия газа H2S на IGBT-модули. В таких испытаниях медные и серебряные пластины помещаются в окружающую среду, которая изучается в течение определенного периода времени. Затем проводится лабораторный анализ пленок, образовавшихся на образцах. Эти толщины слоя измеряются в Å (эквивалент 10-10 м), нормализованных к 30 суткам воздействия. В таблице 2 показаны уровни жесткости среды для различных приложений, в соответствии со стандартом ISA 71.04.

Негативное влияние агрессивных газов на надежность электронных компонентов не оказывается только при уровне жесткости G1. От уровня G2 до уровня GX вероятность отказа из-за суровых условий окружающей среды резко возрастает. Информация, собранная в тяжелых условиях применения, по классификации оказывается на верхнем пределе G3 или нижнем пределе GX (то есть уровень реактивности составляет 2000 Å). В статье [4] описан механизм влияния уровня влажности, концентрации H2S и напряжения на рост дендритов сульфида меди. Кроме того, была разработана модель ускорения, позволяющая сравнивать потребление полупроводниковых модулей в приложениях различного уровня жесткости.

Таблица 2. Некоторые уровни жесткости, релевантные приложениям, в соответствии с ISA 71.04.

Применение Уровень жесткости, в соответствии с ISA 71.04 Эквивалентная концентрация H2S*, ppb Заключение
Производство стали G2 3…10 Коррозия может быть фактором, определяющим надежность оборудования
Целлюлоза и бумага №1 G2 3…10 Коррозия может быть фактором, определяющим надежность оборудования
Целлюлоза и бумага №2 G3 10…50 Высокая вероятность того, что произойдет коррозионная атака
Нефть и газ №1 G3 10…50b Высокая вероятность того, что произойдет коррозионная атака
Нефть и газ №2 GX >50 Ожидается, что выживет только специально спроектированное и упакованное оборудование
* В соответствии с ISA-71.04-2013, Приложение B, таблица 1.

Предлагаемое испытание предназначено для квалификации эксплуатации в условиях, классифицируемых по уровню реактивности 2000 Å. Как видно из таблицы 2, ТЕСТ HV-H2S может охватывать широкий спектр промышленных применений, и поэтому обеспечивает количественный подход к оценке надежности IGBT-модулей, работающих в условиях жесткого загрязнения H2S.

Рис. 2. Внутренняя структура стандартного модуля EconoPACK™+, примененного в химически агрессивных условиях

Рис. 2. Внутренняя структура стандартного модуля EconoPACK™+, примененного в химически агрессивных условиях

На рисунке 2 показано увеличенное изображение разделительной канавки на DCB стандартного модуля EconoPACK™+, используемого в составе привода на нефтегазовой установке, где инвертор подвергался воздействию высокой концентрации сероводорода. Точки роста дендрита Cu2S хорошо видны на границе меди. Эти электропроводящие структуры могут привести к короткому замыканию на уровне DCB и дальнейшему выходу из строя всего модуля IGBT.

Результаты испытаний HV-H2S IGBT-модулей в компоновках EconoPACK™+

Как было описано в предыдущей главе, рост медно-сульфидных дендритов (и последующее образование перемычек между проводниками DCB) является основной причиной выхода из строя силовых модулей, подверженных воздействию H2S. Для исследования воздействия этого агрессивного газа на IGBT-модули была выбрана компоновка серии EconoPACK™+ D. Она имеет самую большую внутреннюю покрытую медью площадь во всей линейке Econo и поэтому наиболее подвержена воздействию сероводорода. Испытание проводилось в условиях, приведенных в таблице 3.

В этом методе параметры были выбраны для относительно высокого ускорения реакции. В то же время уровни относительной влажности и температуры поддерживались в рамках существующей спецификации H3TRB. Продолжительность испытания была достаточной для выявления уязвимых к сероводороду мест испытуемого модуля.

Таблица 3. Тестовые условия для подтверждения устойчивости к H2S (HV-H2S тест), разработанные компанией Infineon

Температура, ºC 85°C
Относительная влажность, % 85%
Продолжительность испытаний 30 дней (720 часов)
Напряжение смещения 600 В для модулей с Vces = 1,2 кВ, 1000 В для модулей с Vces = 1,7 кВ
Концентрация H2S, ppm 50

Также, в качестве важного стресс-фактора, ускоряющего рост дендритов меди в разделительных канавках DCB, было подано напряжение. Напряжение смещения непрерывно подавалось на верхнюю или нижнюю стороны испытуемых модулей, как показано на рисунке 3. Для испытаний был выбран уровень напряжения, соответствующий типичным условиям эксплуатации. Концентрация H2S была установлена на уровне 50 ppm. При более высоких значениях наблюдался эффект насыщения прироста массы пластины, поэтому этот уровень был более чем достаточным для данного ускоренного теста.

Рис. 3. Схема подключения напряжения смещения

Рис. 3. Схема подключения напряжения смещения

Для удобства стандартный IGBT-модуль был сравнен с улучшенным (после того как оба модуля подверглись тестированию HV-H2S). После испытания с модуля была снята крышка. Стандартный модуль (после снятия крышки), испытанный в условиях, приведенных в таблице 3, показан на рисунке 4.

Как видно из рисунка 4, вся покрытая медью область DCB почернела, и в разделительных канавках DCB отчетливо видны перемычки из дендритов Cu2S. Чтобы защитить IGBT-модули от потенциально опасных последствий работы в суровых газовых средах H2S, компания Infineon представила на рынке новую концепцию корпусирования. Новый корпус был испытан в тех же условиях, что и стандартный, представленный на рисунке 4.

Рис. 4. модуль IGBT в компоновке EconoPACK™+ после 720 часов испытания HV-H2S

Рис. 4. модуль IGBT в компоновке EconoPACK™+ после 720 часов испытания HV-H2S

Модуль EconoPACK™+ с новой концепцией корпусирования (со снятой крышкой) после испытания HV-H2S показан на рисунке 5.

Рис. 5. Внутренняя структура нового модуля IGBT с защитой H2S после 720 часов испытания HV-H2S

Рис. 5. Внутренняя структура нового модуля IGBT с защитой H2S после 720 часов испытания HV-H2S

Медная металлизация на DCB не обесцвечена. Оптическая микроскопия разделительных канавок DCB не показывает дендритов Cu2S, что доказывает эффективность вновь введенных модификаций корпусировки.

Эти результаты показывают, что модуль может сохранять работоспособность в течение 20 лет эксплуатации при верхнем пределе уровня жесткости G3, в соответствии со стандартом ISA 71.04. Если условия применения соответствуют классу G2 (< 1000 Å уровня реактивности меди), то защищенный от H2S модуль может работать в таких условиях более 40 лет.

Внедрение технологии в другие корпуса серии Econo

Концепция устойчивости корпусов к H2S применима не только для EconoPACKTM+, но и для всех корпусов серии Econo. На рисунке 6 представлены результаты испытаний HV-H2S стандартного модуля в корпусе EconoPIM™ 2.

Рис. 6. Модуль IGBT в корпусе EconoPIM™2 после 720 часов испытания HV-H2S

Рис. 6. Модуль IGBT в корпусе EconoPIM™2 после 720 часов испытания HV-H2S

Те же признаки воздействия газа, которые были описаны в предыдущем разделе, можно увидеть и здесь. Медь на DCB почернела, и тонкие дендритные структуры пересекли разделительные канавки (отмечено красными овалами).

На рисунке 7 представлена та же область DCB защищенного от воздействия H2S модуля в корпусе EconoPIM™ 2. Никаких почерневших участков и дендритов не наблюдается. Сама технология хорошо работает во всех корпусах Econo, что успешно подтверждается испытаниями.

Рис. 7. Модуль IGBT в корпусе EconoPIM™ 2 с защитой от H2S после 720 часов испытания HV-H2S

Рис. 7. Модуль IGBT в корпусе EconoPIM™ 2 с защитой от H2S после 720 часов испытания HV-H2S

Новая передовая технология корпусов с защитой от H2S предоставляет возможность прямой замены модулей, поскольку их электрические, тепловые и механические параметры не были изменены. Это позволяет производителям инверторов с минимальными усилиями продлить срок службы своей продукции при работе в суровых условиях окружающей среды. Кроме того, со стороны потребителя не требуется никакой дополнительной квалификации, так как новые модули имеют те же свойства и производительность, что и стандартные.

Модули Econo с защитой от H2S в обозначении типа содержат суффикс “_B80” для модулей с выводами под пайку либо “_B81” для модулей с контактами PressFIT.

Заключение

Модуль IGBT является одним из основных компонентов любой инверторной системы. Его выход из строя приводит к значительным финансовым затратам и нежелательным простоям оборудования. Испытания показали, что эксплуатация IGBT-модулей в непосредственной близости от сероводородного загрязнения может довольно быстро привести к их выходу из строя.

Дендриты Cu2S, образующие проводящие мостики в разделительных канавках DCB, были идентифицированы как главная первопричина отказа. В статье был представлен обзор типичных применений при относительно высокой концентрации сероводорода. Новая, передовая технология корпусов с защитой от H2S для семейства Econo была успешно квалифицирована в тесте HV-H2S. Для этих модулей расчетный срок службы при работе на верхней границе концентраций для степени жесткости условий, согласно ISA 71.04, составляет 20 лет. Это в достаточной степени удовлетворяет потребности приложений. Помимо этого, новые устройства обладают той же производительностью, что и стандартные в том же корпусе, обеспечивает конечному потребителю гибкость в выборе компонентов, в уменьшении конструктивных усилий, а также в возможности использования силовых полупроводников в жестких условиях окружающей среды.

Литература

  1. МЭК 60721-1: Классификация условий окружающей среды – Часть 1: Параметры окружающей среды и степени их жесткости, ред. 2.2, 2002-10.
  2. МЭК 60721-3-3, ред. 2.2, Классификация условий окружающей среды – Часть 3-3, 2002.
  3. Instruments Society of America (ISA), “ISA-71.04-2013 – Environmental Conditions for Process Measurement and Control Systems: Airborne Contaminants”, 2013.
  4. T. N. Wassermann, O. Schilling, K. Müller, A. Rossin, J. Uhlig, A new high-voltage H2S single noxious gas reliability test for power modules, ESREF2019.

Оригинал статьи

Перевела Вера Ефремова по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
FS300R12OE4B81BPSA1 (INFIN)
FS500R17OE4DB81BPSA1 (INFIN)
FS450R12OE4B81BPSA1 (INFIN)
FS300R17OE4B81BPSA1 (INFIN)
FF600R12ME4AB11BOSA1 (INFIN)
FF900R12ME7B11BOSA1 (INFIN)
FF600R17ME4B11BOSA1 (INFIN)