在选择功率模块及相应材料时，需考虑作用于功率模块和系统的各类应力源。将功率模块集成到最终产品(如集成电源解决方案)中的系统制造商，可通过选择符合其任务剖面(性能与成本平衡)的功率模块，以及优化系统设计，主动提升系统的稳健性。在系统设计方面，制造商需确保应力因素最小化，避免在最坏情况下加剧应力。为此，需关注工艺缺陷(如功率模块系统集成过程中的缺陷)、材料与元件选择、外壳设计及通风条件等问题。

除探讨通过系统设计提升系统可靠性的可行方法外，Zestron 公司在过去数年中，还积累了将快速高加速应力测试(HAST)用于模块选择质量检测的经验。这些测试可在开展必要但耗时的鉴定测试前，对合适的模块进行初步预选。如此一来，能够缩短优化与选择周期，进而加快产品上市时间并降低成本。此外，通过阻抗谱法对受应力作用的模块进行评估，还可帮助发现潜在或初现的缺陷 —— 这些缺陷可能在现场使用数年後显现，最终导致故障。因此，该方法能最大限度降低现场故障风险，减少维修与保修成本。

内在和 / 或外在应力源

功率电子模块在现场使用时会承受多种应力源。除外部应力(外在应力源)外，还存在大量主要由模块设计和布局决定的内在应力源(见图 1)。后者通常与所用芯片类型(硅、碳化硅、氮化镓)相关，因为芯片类型在很大程度上影响开关频率、电压变化率(dv/dt)，进而影响工作温度。这些因素产生的热机械应力和高压应力，主要作用于半导体本身的材料，或其附近的材料，如芯片金属化层与钝化层、焊接或烧结接头，以及所用的绝缘材料。因此，选择能承受这类内在应力的材料，对功率模块的可靠性至关重要。

外在应力源通常包含三种主要负载场景：

(热)机械应力，包括温度波动、冲击、振动、冲击载荷等;

有害气体;

湿度。

尤其在有害气体和湿度应力领域，外在与内在应力源的界限可能较为模糊。例如，模块或系统制造过程中所用材料(如硫化橡胶密封件释放的硫、聚酰胺外壳释放的磷)挥发成分的逸出，也可能导致模块接触有害气体，这属于由设计或材料引发的内在故障原因。此外，不良的外壳设计或通风条件，可能导致系统或模块内特定区域积聚湿气。

图1

现场应力或鉴定测试后的树枝状结构

当湿气与模块接触时，通常会触发故障机制，可能导致树枝状结构的形成。这类结构在施加的电位差之间形成，既可能在冷凝形成的水膜表面生长，也可能在暴露于湿气、本体已吸收足量水分的聚合物材料内部生长。

一方面，如前所述，这可能是现场湿气应力导致的结果;另一方面，产品验证与鉴定阶段(参见 AQG324 标准)进行的 H3TRB(高温高湿高反向偏压)测试，也可能触发此类应力，进而反映模块在现场潮湿环境下的抗湿能力。

尤其在高压应用中，树枝状结构通常存在于聚合物材料内部，或绝缘材料与基板、芯片表面的界面处。在硅树脂封装的功率模块中，绝缘沟槽内的树枝状结构极易检测，因为该区域具有良好的光学可观测性。不过，即便观测难度较大，在其他绝缘系统(如环氧模塑料、涂层，或嵌入式元件 [1,2] 的场景中)，经湿气和高压应力作用后，也可能在 FR4 电路板结构的特定区域(如环氧基材或阻焊层)发现树枝状结构(见图 2)。

树枝状结构初期可能仅表现为单纯的视觉异常，不会导致模块出现电气异常或功能变化。当树枝状结构与对面电位间的绝缘距离仍足够大，或微小泄漏电流、低电阻对整个模块的电气功能无显著影响时，便会出现这种情况。通常，这些泄漏电流会表现为 1000 小时 H3TRB 测试过程中，相应曲线出现轻微漂移。

图2

然而，若电阻未出现显著或突然下降(尤其是未降至规定限值以下)，这些影响往往不会受到重视，测试也会被判定为通过。在现场使用中，绝缘沟槽内树枝状结构的存在，往往要等到绝缘距离大幅缩短，引发电气异常或故障、必须对模块进行深入检查和拆解时才会被发现。此类情况下的故障特征多样，既可能仅表现为泄漏电流异常，也可能出现热失控等热事件，或在足够高电压下，绝缘沟槽内桥接的树枝状结构区域发生电压击穿(见图 3)。

图3

现象背后的故障机制

在表面或聚合物材料内部，于特定电位差(直流或含直流分量的交流)下，经湿气作用形成的树枝状结构，在外观上极为相似。但通过仔细观察，并结合系统电气接线知识可知：表面生长的树枝状结构通常具有阴阳极特性，而材料内部的多数树枝状结构则往往起源于阳极侧。此外，两类结构达到故障状态(即形成导电通路或导电细丝)的时间差异显著 —— 阴阳极生长的树枝状结构所需时间较短(沿表面生长仅需数分钟至数小时)，而阳阴极结构所需时间较长(在聚合物本体材料内通常需数周至数年)。

对这些现象的潜在机制进行研究后发现，从电化学角度看，二者发生的过程相同，但外部影响因素对现象的实际表现起决定性作用。其中，绝缘系统的材料特性、电位差及其幅值是典型的外部影响因素。

表面上从阴极向阳极生长、以金属树枝状结构形成为特征的 “标准” 树枝状生长，被称为电化学迁移(ECM)。ECM 的发生需要存在施加电场(>1.5 V)的水膜，且仅需几层水分子即可满足条件。当水膜连接不同电位(直流)时，阳极材料会溶解;产生的金属离子向阴极迁移，并在阴极还原为金属;生成的树枝状结构从阴极向阳极反向生长，最终形成导电连接 [3,4]。

阳极迁移现象

与之相反，在聚合物材料本体内部出现、主要呈现阳阴极生长方向的树枝状结构，被称为阳极迁移现象(AMP)[3,4,7]。在 AMP 现象中，ECM 涉及的化学反应和迁移过程，发生在聚合物材料(绝缘材料、模塑料、 conformal 涂层、底部填充料等)内部连接阳极与阴极的通道中。

这些通道的形成，可能源于聚合物材料在应力作用下的老化或降解 —— 应力源包括高压、高温、温度变化、湿度等，且往往与聚合物材料的质量偏差相关 [5]。在高湿度环境下，阳极与阴极间的这些通道会被水填充;随后，阳极释放的金属阳离子会在通道内向阴极迁移。由于存在酸碱 pH 梯度(由电场作用下水的电解反应引发)，离子会在通道内的 pH 边界(酸碱界面)处沉淀，从溶液中形成金属氢氧化物沉积物。这些填充沉积物的通道，在外观上类似从阳极开始生长的树枝状结构 [3,4]。

AMP 现象主要发生在电场强度较高的区域(边缘、尖端、粗糙表面等)，因为这些区域最易发生局部放电，进而引发聚合物降解。此外，前文提及的聚合物材料质量差异(多由工艺偏差导致，如多孔性、交联度低、附着力弱、分层等)，会增加材料对局部放电的敏感性，加速聚合物基体的老化与降解 [3,5]。

如何规避或应对模块故障

功率模块或整个系统对 AMP 故障的敏感性及可靠性，主要由所用绝缘材料的类型决定。尽管在设计阶段，会根据预期任务剖面及相应应力源(外在与内在)选择材料，但选择依据多为现有数据手册、材料特性及过往经验。

Zestron 公司过去数年开展的故障分析显示，这类故障极少由绝缘材料选择不当导致。相反，故障分析表明，多数 AMP 故障源于聚合物材料(涂层、灌封料、模塑料、基材、阻焊层等)的缺陷 —— 这些缺陷由涂覆工艺本身或前期制造步骤引发。

对于模块供应商而言，需注意材料制造商提供的参数，是在标准条件下、针对每种材料的特定工艺参数(固化、层厚、混合比等)得出的。但当实际工艺条件偏离理想或规定条件时，量产材料的特性(如介损强度、机械稳定性、热膨胀系数等)往往会发生显著变化。因此，从原型生产过渡到批量生产时，材料质量可能存在较大差异。

电动汽车领域的技术发展，以及将元件、半导体集成到 FR4 基印制电路板(嵌入式元件)的努力表明，即便制造商在相关材料和工艺方面拥有多年经验，将这些技术应用于更高应力条件(尤其是更高电压)的过程，也并非简单的 1:1 复制。

模块供应商的工艺稳定性是可靠性的保障

要确保功率模块的可靠性(尤其在严苛工作条件下)，所用聚合物材料的涂覆与固化至关重要。若要使材料性能达到数据手册规定的最佳水平，关键在于根据具体条件(尤其是几何条件)，合理采用数据手册中的参数(符合数据手册规范)。

此处最关键的参数，主要是聚合物的交联度及其与相应基板的附着力。从工艺角度看，除涂覆工艺本身(需考虑特定元件几何形状)外，固化工艺及待涂覆、灌封、模塑或层压的表面也起决定性作用(见图 4)。后者受前期制造步骤(如焊接、烧结等)的影响显著。此外，后续工艺步骤(如在冷却基板上进行大面积烧结或焊接)可能引发或加剧分层效应 —— 这由额外的热机械应力导致。

除上述因素的相互作用外，在批量生产启动及持续生产过程中，确保整个工艺链始终维持最佳工艺条件也至关重要。因此，通过控制绝缘材料质量实现持续工艺监控，是确保功率模块抗湿性能的最终关键。

模块选择与系统设计

除所用材料的质量及其在功率模块内部的相互作用外，考量整个系统也往往具有重要意义。除模块本身的内在抗湿能力(涉及材料选择及其组合)外，系统设计还会影响湿气接触模块的程度。其中，外壳设计是关键因素，对防止潮湿环境空气接触模块至关重要。设计时需考虑的问题包括：外壳是否采用透湿膜(使渗入的湿气排出而非积聚)，以及通风和气流管理方案。

例如，是否存在无层流区域、潮湿环境空气易流向模块?气流中的湍流是否反而能降低系统内部的整体湿度?

此外，还需明确系统内的载热体，以及易吸收湿气的元件(需考虑材料本身特性，以及焊接或烧结过程中吸湿性污染物可能产生的影响)。在某些情况下，仅调整通风时的气流方向即可解决问题 —— 因为强制空气通过外壳，往往比从外壳吸入空气产生更多湍流。

图4

系统供应商可探讨并实施上述提升系统可靠性的措施与考量。但从供应商角度而言，其无法直接影响功率模块本身的质量与可靠性。因此，供应商有责任根据现场使用要求及上述任务剖面，选择合适的模块。同时需谨记，无法涵盖所有使用场景，因此系统制造商需确保每个模块的使用条件，均符合模块制造商规定的工作条件与限制。

此处应明确告知系统层面在现场使用中的潜在限制与最高条件。然而，如前所述，由于工艺差异，不同模块的质量存在区别。为辅助模块选择，可采用适当的定性测试 —— 这些测试能反映模块在应力条件(湿气、有害气体、热、机械、电压等)下的潜在现场薄弱点。

质量检测 —— 快速预测试

一个关键问题是：湿气或有害气体以何种程度、通过何种位置、在何时渗入模块的关键结构(如金属化层、芯片、键合线等)。需检查的因素包括：聚合物网络的交联度与均匀性，以及与相应基板表面的无缺陷结合和附着力。分层、多孔性、填料在聚合物基体中分散不足等问题，均可能引发 AMP 现象和局部放电。

为辅助系统制造商在初步预选基础上进一步选择模块，可采用快速质量测试，如依据 IEC PAS 61191-10 标准进行的高压 “涂层可靠性测试”(CoRe 测试)。目前，Zestron 可将该测试电压提升至 800 V。该测试中，模块需接触水 —— 这一最坏情况测试旨在发现潜在薄弱点，但并非用于预测模块寿命。通过监测不同模块在数小时至数天测试期间的泄漏电流，可有效识别模块间的显著质量差异。

若要对比测试功率模块的分层、网络不均匀性，以及湿气和有害气体的渗透路径，可采用基于碘蒸气的质量测试 [4,6]。这是一种多模式高加速应力测试(HAST)，可同时施加湿气、有害气体、温度等应力源。得益于这种复合应力环境，测试时间可大幅缩短。仅需数小时，即可完成模块的初步预选，为后续鉴定测试(如依据 AQG324 标准进行的 H3TRB 测试)做准备。该方法不仅节省时间、缩短优化周期，还能大幅降低开发成本。

应力对功能的影响

施加的应力是否会影响模块或电路的功能?在分析和解读质量测试结果，以及模块经受任何应力(H3TRB 测试、振动、机械冲击等)后的状态时，这一核心问题始终存在。它也让业界长期争论的一个话题再次成为焦点：在 H3TRB 测试或现场应力后，若绝缘沟槽中出现视觉可见的树枝状结构，但电路特性或电气功能未显现明显异常，这种情况是否构成问题?

要更灵敏地判断这些视觉异常或潜在电气异常，可采用阻抗谱法(EIS)评估模块。Zestron 在该方法的应用中积累了经验 —— 不将阻抗谱法用作绝对测量手段，而是采用对比测量方式：在应力作用前后分别进行测量(见图 5)。

图5

通过该方法，阻抗谱的细微变化也能反映系统中漏电电流或低阻抗路径的早期迹象，从而发现模块在持续应力下的潜在缺陷。根据测量的触点不同，还可判断薄弱点更可能位于芯片侧、芯片与绝缘材料的界面处，还是绝缘材料内部。在许多情况下，阻抗谱还能预测可能出现的薄弱点类型。例如，聚合物系统中的分层效应与水渗入，对阻抗曲线的影响各不相同。