IGBT失效模式和失效现象

今天梳理一下IGBT现象级的失效形式。

失效模式
根据失效的部位不同，可将IGBT失效分为芯片失效和封装失效两类。引发IGBT芯片失效的原因有很多，如电源或负载波动、驱动或控制电路故障、散热装置故障、线路短路等，但最终的失效都可归结为电击穿和热击穿两种，其中电击穿失效的本质也是温度过高的热击穿失效。目前对IGBT芯片失效的研究主要集中在对引起失效的各种外部因素，如过电压、过电流、过温等进行分析上，而对失效的内部机理及过程仍缺乏深入的研究。
（1）过压失效
母线电压、变压器反射电压以及漏极尖峰电压等叠加，当漏源极承受最大单次脉冲能量超过其单脉冲雪崩能量 EAS 或多次脉冲能量超过其重复雪崩能量 EAR 时发生漏源雪蹦；或者栅极产生尖峰电压，栅极是模块最薄弱的地方，在任何条件下，其接入的电压必须在小于栅极电压 VGS，否则引起击穿，导致 IGBT 失效。整车上会触发电机控制器电压故障，严重者会反冲击电池包，引起电池管理系统报故障。

（2）过流失效
异常大的电流和电压同时叠加，造成瞬态发热，导致 IGBT 失效。漏源标称电流如果偏小，在设计降额不充裕的系统中可能会引起电流击穿的风险；如果漏源最大脉冲电流 IDM、最大连续续流电流 IS、最大脉冲续流电流 ISM 偏小，系统发生过流或过载情况，同样会发生电流击穿风险。整车上可能会触发电机控制器报电流故障，严重者会引起电池包内部熔断器熔断或继电器粘连。

（3）过温失效
三相桥臂门极开关瞬态开通不一致，极限情况下引起单管承受所有相电流；或者MOS 管内阻及功率回路抗扰差异，导致稳态不均流；以及晶元与 leadframe、leadframe与 PCB 铜箔之间存在空洞，局部温升高，引起 IGBT 模块温度过高，发生过温失效。发生过温失效的直接原因是温升超过结温 TSTG 及贮存温度 TJ，如果系统设计时把模块的结到封装的热阻 Rthjc、封装到散热片的热阻 Rthcs以及结到空气的热阻 Rthja 设计越小，系统散热越快；或者导通电阻 RDS（ON）值越小，工作时损耗越小，温升越慢，发生过温失效的几率就会越小。整车上可能会触发电机控制器过温保护，严重者会引起温度传感器烧毁。

1.热失效
IGBT热失效的原因有多种，比如散热装置不良、电流过大、浪涌电流冲击、短路电流冲击等，各种原因造成的IGBT热失效机理和失效模式并不相同。浪涌电流冲击和短路电流冲击是由于电流冲击产生的热量使芯片发生瞬时热过载，局部结温快速上升并达到丝化温度Tf而发生失效，通常由一个或若干个冲击周期内功耗引起的结温升与丝化温度的关系决定；散热不良和电流过大是由于产生的热量不能被完全散发出去而在内部形成热量累积使芯片温度持续上升，最终也是局部到达丝化温度Tf时发生失效，通常由连续周期内产生的功耗与耗散的功耗决定。本文以散热不良和电流过大的热失效作为分析对象，从热平衡角度得到IGBT极限功耗以及热失效机理。

单个IGBT芯片是由数以千计的元胞并联而成的，这些元胞具有共同的P+发射区和N-基区，但各自的栅极与P+集电区均相互独立。图1中点划线框内为穿通（PT）或场终止（FS）平面栅型IGBT的一个元胞结构，非穿通（NPT）型IGBT去掉了图中的N+缓冲层或场终止层，沟槽栅型将IGBT栅极垂直向下延伸到N-基区。

由IGBT工作机理可知，其开关和导通过程是通过载流子在基区不断的运动与复合形成的电子、空穴电流，产生的热量主要在J2结的N-外延层，即IGBT的有源基区。

在实际的反向PN结曲线中，由于空间电荷区的产生电流和表面漏电流的影响，反向电流会随着反向电压的增大而略有增大，表现出不饱和特性，且反向电流会随着温度的上升呈指数特征增加。当PN结反向偏压增加时，反向电流引起的热损耗导致结温上升，结温的升高又导致反向电流增大，如果冷却装置不能及时将热量传递出去，结温上升和反向电流的增加将会交替循环下去，最终PN结发生击穿，这种击穿是由热效应引起，称为热击穿。同样的原理，IGBT热失效机理也可从产生的热量与所能耗散的热量间的热平衡关系来进行分析。

如果Pheat是IGBT产生的功率损耗，Pcool是可以通过封装和散热器最大限度的功率耗散，则IGBT发生热击穿条件的表达式为：

如果该条件在一个固定的工作点上实施，结温会以指数规律快速升高，导致IGBT发生热击穿。

1）IGBT极限功耗由IGBT功耗的温度曲线与结-壳稳态传热功耗的温度曲线相切时的切点，即临界点对应的功耗得到，由此可对IGBT电气参数进行合理优化设计。
2）IGBT可在结温稳定点附近保持热平衡状态，一旦到达非稳定点，IGBT结温和功耗会形成正反馈导致结温持续上升，直至发生热击穿失效。

失效现象:
芯片表面出现铝层熔化、bonding线烧熔、芯片底部焊锡溢出等现象。原因可能是开关频率异常增大、开关时间过长、散热不良引起的导通损耗增加、开关损耗增加、接触面热阻增大、外壳温度上升等。

故障点位于硅片中心附近，该区域发热严重。

2.电击穿失效
为了获得尽可能低的通态压降，IGBT选用的硅单晶电阻率及设计的芯片基区宽度都是被控制在尽可能小的范围，这决定了IGBT的集电极额定击穿电压并不像工频器件那样可有较大的余量，因此当IGBT承受的电压超过其额定值时极有可能造成永久性损坏—电压击穿失效。

1）长期过流：模块长时间过流运行是指IGBT的运行指标达到或超出RBSOA(反偏安全工作区)所限定的电流安全边界。出现这种情况时电路必须能在电流到达RBSOA限定边界前立即关断器件，才能达到保护器件的目的。
2）短路超时(>10us)：短路超时(>10us)是指IGBT的所承受的电流值达到或超出SCSOA(短路安全工作区）所限定的最大边界，比如4~5倍额定电流时，必须在10us之内关断IGBT，如果此时IGBT所承受的最大电压也超过器件标称值的话，则IGBT必须在更短的时间内被关断。
3）过高di/dt和dv/dt：过高di/dt引起的器件故障，其实也属于过压范围很高的 di/dt值与线路分布电感的乘积，导致瞬间过压。这种情况可以根据不同的功率模块，选用不同的缓冲吸收电路通过调整栅极电阻Rg来限制di/dt和dv/dt。
4）Vce，Vge过压：IGBT最高栅极电压±20V，采用TVS进行电压钳位，可防止动态的Vce，Vge过压。对于发电状态下的Vce过压，可采用监测直流母线电压的方法，进行能耗制动或能量回馈制动。

失效现象
过流失效：
故障点集中于绑定线区域，因为短路电流流向是从背部的“C”到绑定线部位的“E”

综述：IGBT芯片铝线和芯片表面键合位置为绑线点，当此位置出现类似现象时，可以判定为过电流损坏。

门级过压：
故障点位于栅氧化层，由于栅氧化层几乎分布在硅片的每个部位，所以故障点可能随机出现在硅片的任意地方。

综述：IGBT芯片门级绑定线点或者门级总线有损坏，出现此类现象时，可以判定为门级过电压损坏。

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