IGBT的芯片結(jié)構(gòu)及其失效模式分析PPT課件

1、IGBTIGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)及常見(jiàn)失效內(nèi)部結(jié)構(gòu)及常見(jiàn)失效模式模式12021/3/9主要內(nèi)容一、IGBT的結(jié)構(gòu)二、IGBT常見(jiàn)的失效模式三、Q&A22021/3/9一、IGBT的結(jié)構(gòu)1.芯片結(jié)構(gòu)和特征32021/3/92.IGBT芯片結(jié)構(gòu)的變遷42021/3/9 平面型發(fā)展方向： 平面型溝槽型軟溝槽型 垂直發(fā)展方向： 穿透非穿透場(chǎng)終止圖1.3 IGBT芯片發(fā)展歷程52021/3/9(ABB 第1代)“128” 正溫度系數(shù)軟穿通最大結(jié)Tj=150C(Infineon 第3)“T3” 正溫度系數(shù)“場(chǎng)終止”最大結(jié)Tj=150Cn +n -collectorGateEmitterTrench-IGB

2、T p +135 mn +pn +n -CollectorGateEmitterTrench4 IGBTp +125 mn +p(Infineon 第4代)“T4” 正溫度系數(shù)場(chǎng)終止最大結(jié)Tj=175C開(kāi)關(guān)損耗降低30%n+n-CollectorGateEmitterSPT-IGBTp+pn135m62021/3/9IGBT模塊的封裝工序流程： 芯片和DBC焊接邦線DCB和銅底板焊接安裝外殼灌注硅膠密封終測(cè)3.IGBT芯片的結(jié)構(gòu)和封裝流程圖1.4 IGBT模塊構(gòu)造圖圖1.5 IGBT模塊封裝圖72021/3/9典型三電平主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)典型三電平主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)82021/3/992021/3/9

3、102021/3/91.圖示8處插入銅排，引出的為1管 的集電極（C級(jí)）2.圖示5處接1管的集電極3.圖示4處接1管的門(mén)極（G級(jí)）4.圖示3處接1管的發(fā)射極（E級(jí)） 同時(shí)為2管的集電極（C極） 同時(shí)為鉗位二極管的負(fù)端5.圖示9處接鉗位二極管的正端6.圖示1處接2管的門(mén)極（G級(jí)）7.圖示2處接2管的發(fā)射極（E級(jí)）8.圖示10處接2管的發(fā)射極（E級(jí)）9.圖示6、7兩端接熱敏電阻的兩端2 24 48 83 35 52 2 1 16 6 7 79 91010112021/3/9122021/3/9132021/3/9接線圖橫142021/3/9七單元系列152021/3/9六單元系列162021/3/

4、9兩單元系列172021/3/9182021/3/9192021/3/9二、IGBT常見(jiàn)的失效模式 1. IGBT失效機(jī)理 和其它任何功率半導(dǎo)體器件一樣，IGBT工作的應(yīng)用可靠性極大程度上依賴(lài)于對(duì)結(jié)溫TJ的控制，其失效率隨結(jié)溫的遞增幾乎呈指數(shù)遞增的關(guān)系。因此,過(guò)溫失效是IGBT的最重要失效模式。 為了獲得盡可能低的通態(tài)壓降，IGBT選用的硅單晶電阻率及設(shè)計(jì)的芯片基區(qū)寬度都是被控制在盡可能小的范圍，這決定了IGBT的集電極額定擊穿電壓并不像工頻器件那樣可有較大的余量，因此當(dāng)IGBT承受的電壓超過(guò)其額定值時(shí)極有可能造成永久性損壞電壓擊穿失效。202021/3/9 當(dāng)IGBT關(guān)斷過(guò)高的脈沖集電極電流

5、ICM時(shí)同樣可能產(chǎn)生較高的集電極電壓VCE而產(chǎn)生電壓擊穿失效。多數(shù)器件制造商推薦的IGBT工作電壓VCE的上限值為80額定電壓。 IGBT的柵極和MOSFET一樣多屬于MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)，當(dāng)柵極引入過(guò)電壓時(shí)可導(dǎo)致柵氧層的缺陷產(chǎn)生或直接擊穿而使IGBT失效柵極過(guò)電壓失效。另外，當(dāng)IGBT柵極引入高電壓時(shí)，集電極電流會(huì)跟隨變大，關(guān)斷這個(gè)電流而產(chǎn)生的集電極過(guò)電壓（VCE）有可能使集電極產(chǎn)生擊穿柵極過(guò)電壓引起的集電極過(guò)電壓失效。 212021/3/9 2.常見(jiàn)的失效原因過(guò)電壓： VCE過(guò)電壓 *關(guān)斷浪涌電壓 *母線電壓上升 *控制信號(hào)異常 *外部浪涌電壓（雷電浪涌等） VGE過(guò)電壓 *

6、 靜電 * 柵極驅(qū)動(dòng)回路異常 * 柵極振蕩 * 與高壓相連 *外部浪涌222021/3/9過(guò)流、熱失效： 散熱設(shè)計(jì)不完善 短路 過(guò)電流 柵極電壓欠壓 極配線開(kāi)路 開(kāi)關(guān)頻率異常增加 開(kāi)關(guān)時(shí)間過(guò)長(zhǎng) 散熱不良功率循環(huán)與熱循環(huán)： 過(guò)大的溫度變化 過(guò)頻繁的溫度變化232021/3/93.一些失效案例A、過(guò)壓失效IGBT芯片耐壓環(huán)位置損壞嚴(yán)重IGBT芯片耐壓環(huán)位置損壞嚴(yán)重故障點(diǎn)靠近硅片邊沿或傳感器, 其電場(chǎng)較強(qiáng)。242021/3/93.一些失效案例A、過(guò)壓失效故障點(diǎn)靠近硅片邊沿或傳感器, 其電場(chǎng)較強(qiáng)。252021/3/9 綜述：IGBT芯片鋁線和芯片表面鍵合位置為綁線點(diǎn)，當(dāng)此位置出現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象時(shí)，可以判定為

7、過(guò)電流損壞。 損壞的原因一般有以下幾種：1、輸出短路或輸出接地；2、母線銅牌打火導(dǎo)致浪涌電流；3、門(mén)極控制信號(hào)異常（有干擾源或者本身器件損壞）262021/3/9B、過(guò)流失效故障點(diǎn)集中于綁定線區(qū)域，因?yàn)槎搪冯娏髁飨蚴菑谋巢康腃 到綁定線部位的E.IGBT芯片綁線點(diǎn)位置損壞嚴(yán)重272021/3/9282021/3/9 綜述：IGBT芯片鋁線和芯片表面鍵合位置為綁線點(diǎn)，當(dāng)此位置出現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象時(shí)，可以判定為過(guò)電流損壞。 損壞的原因一般有以下幾種：1、輸出短路或輸出接地；2、母線銅牌打火導(dǎo)致浪涌電流；3、門(mén)極控制信號(hào)異常（有干擾源或者本身器件損壞）292021/3/9C、過(guò)熱失效故障點(diǎn)位于硅片中心附近,

8、該區(qū)域發(fā)熱嚴(yán)重。IGBT芯片有龜裂的現(xiàn)象并且底部有錫溢出302021/3/9IGBT芯片有龜裂的現(xiàn)象并且底部有錫溢出312021/3/9322021/3/9典型過(guò)熱損壞IGBT芯片有龜裂的現(xiàn)象并且底部有錫溢出332021/3/9IGBT芯片表面有熔融的球狀物并且底部有錫溢出 綜述：IGBT芯片有龜裂或者表面有熔融的球狀物，出現(xiàn)此類(lèi)現(xiàn)象時(shí)，可以判定為過(guò)電流損壞。 損壞的原因一般有以下幾種：1、瞬間通過(guò)極大電流導(dǎo)致瞬時(shí)結(jié)溫過(guò)高；2、散熱不良，或者散熱硅脂涂抹不到位；3、器件本身空洞率過(guò)高342021/3/9D、門(mén)極過(guò)電壓故障點(diǎn)位于柵氧化層, 由于柵氧化層幾乎分布在硅片的每個(gè)部位，所以故障點(diǎn)可能隨機(jī)出現(xiàn)在硅片的任意地方。352021/3/9IGBT芯片門(mén)極綁線點(diǎn)有損壞的痕跡362021/3/9放大后IGBT芯片門(mén)極總線點(diǎn)有損壞的痕跡 綜述：IGBT芯片門(mén)極綁線點(diǎn)或者門(mén)極總線有損壞，出現(xiàn)此類(lèi)現(xiàn)象時(shí)，可以判定為門(mén)極過(guò)電壓損壞。 損壞的原因一般有以下幾種：1、靜電擊穿；2、門(mén)極有較大的電壓振蕩；3、驅(qū)動(dòng)電路有浪涌信號(hào)通過(guò)；372021/3/9D、功率循環(huán)疲勞鍵合線從