IGBT基于故障物理的失效分析及電子器件加速壽命模型探討

譚觀友 頡彥強 單鵬

摘 要：如今，IGBT已成為熱門的功率電子器件，由于IGBT具備出色的性能以及可靠性高，并被廣泛地應(yīng)用在各種軍用與民用電子設(shè)備當中。但是，我國現(xiàn)階段研發(fā)能力有限，許多高精度設(shè)備的IGBT器件只有引進國外工業(yè)級產(chǎn)品。如何保障此類產(chǎn)品的有效性并提升家用IGBT產(chǎn)品的可靠性是迫切需要探討分析的問題。直至現(xiàn)在，我國對IGBT的研究仍然不足。 如何準確有效地確定其失效機理和關(guān)鍵失效部位，如何建立準確的失效物理模型，如何進行電子產(chǎn)品的加速壽命測試，以及在多重應(yīng)力下建立電子設(shè)備的加速壽命模型。以上均是我國在開發(fā)高性能與高質(zhì)量IGBT的同時需要處理的關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞：IGBT;失效分析;加速壽命模型

IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，它融合了這兩種器件的優(yōu)點，既具有MOSFET器件驅(qū)動功率小和開關(guān)速度快的優(yōu)點，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導地位。

1.、IGBT失效故障物理模型的原因及保護方法

1.1造成失效的原因

（1）過熱容易造成集電極損壞

電流過大引起的瞬時過熱及其主要原因，是因散熱不良導致的持續(xù)過熱均會使IGBT損壞。如果器件持續(xù)短路 ，大電流產(chǎn)生的功耗將引起溫升，由于芯片的熱容量小，其溫度迅速上升，若芯片溫度超過硅本征溫度，器件將失去阻斷能力，柵極控制就無法保護，從而導致IGBT失效。實際應(yīng)用時，一般最高允許的工作溫度為125℃左右。

（2）超出關(guān)斷安全工作區(qū)引起擎住效應(yīng)而損壞

擎住效應(yīng)分靜態(tài)擎住效應(yīng)和動態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT為PNPN 4層結(jié)構(gòu)，因體內(nèi)存在一個寄生晶閘管，當集電極電流增大到一定程度時，則能使寄生晶閘管導通，門極失去控制作用，形成自鎖現(xiàn)象，這就是所謂的靜態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后，集電極電流增大，產(chǎn)生過高功耗，導致器件失效。動態(tài)擎住效應(yīng)主要是在器件高速關(guān)斷時電流下降太快，dvCE/dt很大，引起較大位移電流，也能造成寄生晶閘管自鎖。

另外，瞬態(tài)過電流IGBT在運行過程中所承受的大幅值過電流除短路、直通等故障外，還有續(xù)流二極管的反向恢復電流、緩沖電容器的放電電流及噪聲干擾造成的尖峰電流。這種瞬態(tài)過電流雖然持續(xù)時間較短，但如果不采取措施，將增加IGBT的負擔，也可能會導致IGBT失效。

1.2對IGBT保護的方法

（1）立即關(guān)斷驅(qū)動信號

在逆變電源的負載過大或輸出短路的情況下，通過逆變橋輸入直流母線上的電流傳感器進行檢測。當檢測電流值超過設(shè)定的閾值時，保護動作封鎖所有橋臂的驅(qū)動信號。這種保護方法最直接，但吸收電路和箝位電路必須經(jīng)特別設(shè)計，使其適用于短路情況。這種方法的缺點是會造成IGBT關(guān)斷時承受應(yīng)力過大，特別是在關(guān)斷感性超大電流時， 必須注意擎住效應(yīng)。

（2）先減小柵壓后關(guān)斷驅(qū)動信號

IGBT的短路電流和柵壓有密切關(guān)系，柵壓越高，短路時電流就越大。在短路或瞬態(tài)過流情況下若能在瞬間將vGS分步減少或斜坡減少，這樣短路電流便會減小下來，長允許過流時間。當IGBT關(guān)斷時，di/dt也減小。限制過電流幅值。

（3）加速壽命試驗概念

加速壽命試驗（ALT）只對元器件、材料和工藝方法進行，用于確定元器件、材料及生產(chǎn)工藝的壽命。其目的不是暴露缺陷，而是識別及量化在使用壽命末期導致產(chǎn)品損耗的失效及其失效機理。有時產(chǎn)品的壽命很長，為了給出產(chǎn)品的壽命期，加速壽命試驗必須進行足夠長的時間。

加速壽命試驗（ALT）是基于如下假設(shè)：即受試品在短時間、高應(yīng)力作用下表現(xiàn)出的特性與產(chǎn)品在長時間、低應(yīng)力作用下表現(xiàn)出來的特性是一致的。為了縮短試驗時間，采用加速應(yīng)力，即所謂高加速壽命試驗（HALT）。？加速壽命試驗（ALT）提供了產(chǎn)品預期磨損機理的有價值數(shù)據(jù)，這在當今的市場上是很關(guān)鍵的，因為越來越多的消費者對其購買的產(chǎn)品提出了使用壽命要求。估計使用壽命僅僅是加速壽命試驗的用處之一。它能使設(shè)計者和生產(chǎn)者對產(chǎn)品有更全面的了解，識別出關(guān)鍵的元器件、材料和工藝，并根據(jù)需要進行改進及控制。另外試驗得出的數(shù)據(jù)使生產(chǎn)廠商和消費者對產(chǎn)品有充分的信心。加速壽命試驗的對象是抽樣產(chǎn)品。目前國內(nèi)能實施加速壽命試驗（ALT）的實驗室好像就環(huán)境可靠性與電磁兼容試驗中心。

3.電子器件加速壽命試驗失效機理的分析

舉例采用電子封裝。電子封裝相鄰層之間材料的熱膨脹系數(shù)是不同的。在熱循環(huán)負載的影響下，很容易在焊料層，焊線和其他易損部件中引起空隙和裂紋，從而影響整個器件的可靠性。 產(chǎn)生非常嚴重的負面影響。 在實際應(yīng)用和研究中，許多封裝故障是由分層，電化學腐蝕，鈍化裂紋，粘結(jié)裂紋或晶片裂紋引起的。焊點裂紋通常發(fā)生在電子部件的銅線和焊料之間的界面處。焊點裂紋通常是由溫度變化引起的，溫度的劇烈變化將導致不同材料的熱膨脹率不平衡。產(chǎn)生的焊點應(yīng)力變化最終將導致焊點疲勞失效，溫度變化，熱膨脹系數(shù)差異和封裝尺寸。溫度越高，引起電子設(shè)備故障的可能性越大。封裝內(nèi)部的連接失敗也可能導致電子設(shè)備發(fā)生故障，例如在基板上缺少通孔和焊點，并且芯片與基板之間的連接會中斷。由于所有高分子化合物都可滲透濕氣，因此濕氣擴散到封裝中可能會導致電路線鍵合或芯片的半金屬化。對于在惡劣環(huán)境中使用的包裝，由空氣污染引起的腐蝕也是一個問題，并且由于濕度的變化，被腐蝕的物體也會發(fā)生變化。 一個非常重要的失效機理是保護層和包裝的分層，這也與濕度的增加有關(guān)。電化學遷移還會導致高密度連接之間的可靠性問題。這可以定義為離子通過電化學介質(zhì)在兩個金屬涂層之間的遷移，化學沉淀物也替代了晶體樹枝狀或樹枝狀沉淀，實際上，這種沉淀物還會在包裝后引起裝置的泄漏和實質(zhì)性故障。

結(jié)語：

本文對IGBT失效原因重點只考慮到了溫度，在對IGBT 器件的疲勞壽命進行預測時也應(yīng)該考慮多個失效機制之間的關(guān)系，因此在后續(xù)的分析中希望可以考慮多重失效機制，建立更為完善準確的失效物理模型。

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