IGBT的芯片結(jié)構(gòu)及失效模式

IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)及常見失效模式CHENLI12021/3/7主要內(nèi)容一、IGBT的結(jié)構(gòu)二、IGBT常見的失效模式三、Q&ACHENLI22021/3/7一、IGBT的結(jié)構(gòu)1.芯片結(jié)構(gòu)和特征CHENLI32021/3/72.IGBT芯片結(jié)構(gòu)的變遷CHENLI42021/3/7

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→場終止圖1.3IGBT芯片發(fā)展歷程CHENLI52021/3/7(ABB第1代)“128”

正溫度系數(shù)軟穿通最大結(jié)Tj=150°C(Infineon第3)“T3”

正溫度系數(shù)“場終止”最大結(jié)Tj=150°Cn+n-collectorGateEmitterTrench-IGBT

p+135

μmn+pn+n-CollectorGateEmitterTrench4IGBTp+125

μmn+p(Infineon第4代)“T4”

正溫度系數(shù)場終止最大結(jié)Tj=175°C開關(guān)損耗降低30%n+n-CollectorGateEmitterSPT-IGBTp+pn135μmCHENLI62021/3/7IGBT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3.IGBT芯片的結(jié)構(gòu)和封裝流程圖1.4IGBT模塊構(gòu)造圖圖1.5IGBT模塊封裝圖CHENLI72021/3/7典型三電平主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)CHENLI82021/3/7CHENLI92021/3/7CHENLI102021/3/71.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248352167910CHENLI112021/3/7CHENLI122021/3/7CHENLI132021/3/7接線圖橫CHENLI142021/3/7七單元系列CHENLI152021/3/7六單元系列CHENLI162021/3/7兩單元系列CHENLI172021/3/7CHENLI182021/3/7CHENLI192021/3/7二、IGBT常見的失效模式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承受的電壓超過其額定值時(shí)極有可能造成永久性損壞——電壓擊穿失效。CHENLI202021/3/7

當(dāng)IGBT關(guān)斷過高的脈沖集電極電流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)生的集電極過電壓（VCE）有可能使集電極產(chǎn)生擊穿——柵極過電壓引起的集電極過電壓失效。CHENLI212021/3/72.常見的失效原因①過電壓：

VCE過電壓*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過電壓*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CHENLI222021/3/7②過流、熱失效：散熱設(shè)計(jì)不完善短路過電流柵極電壓欠壓極配線開路開關(guān)頻率異常增加開關(guān)時(shí)間過長散熱不良③功率循環(huán)與熱循環(huán)：過大的溫度變化過頻繁的溫度變化CHENLI232021/3/73.一些失效案例A、過壓失效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,其電場較強(qiáng)。CHENLI242021/3/73.一些失效案例A、過壓失效故障點(diǎn)靠近硅片邊沿或傳感器,其電場較強(qiáng)。CHENLI252021/3/7

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)類似現(xiàn)象時(shí)，可以判定為過電流損壞。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、門極控制信號(hào)異常（有干擾源或者本身器件損壞）CHENLI262021/3/7B、過流失效故障點(diǎn)集中于綁定線區(qū)域，因?yàn)槎搪冯娏髁飨蚴菑谋巢康摹瓹’到綁定線部位的'E'.IGBT芯片綁線點(diǎn)位置損壞嚴(yán)重CHENLI272021/3/7CHENLI282021/3/7

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)類似現(xiàn)象時(shí)，可以判定為過電流損壞。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、門極控制信號(hào)異常（有干擾源或者本身器件損壞）CHENLI292021/3/7C、過熱失效故障點(diǎn)位于硅片中心附近,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CHENLI302021/3/7IGBT芯片有龜裂的現(xiàn)象并且底部有錫溢出CHENLI312021/3/7CHENLI322021/3/7典型過熱損壞IGBT芯片有龜裂的現(xiàn)象并且底部有錫溢出CHENLI332021/3/7IGBT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)此類現(xiàn)象時(shí)，可以判定為過電流損壞。損壞的原因一般有以下幾種：1、瞬間通過極大電流導(dǎo)致瞬時(shí)結(jié)溫過高；2、散熱不良，或者散熱硅脂涂抹不到位；3、器件本身空洞率過高CHENLI342021/3/7D、門極過電壓故障點(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。CHENLI352021/3/7IGBT芯片門極綁線點(diǎn)有損壞的痕跡CHENLI362021/3/7放大后IGBT芯片門極總線點(diǎn)有損壞的痕跡

綜述：IGBT芯片門極綁線點(diǎn)或者門極總線有損壞，出現(xiàn)此類現(xiàn)象時(shí)，可以判定為門極過電壓損壞。損壞的原因一般有以下幾種：1、靜電擊穿；2