功率半導體IGBT失效分析與可靠性研究

黎長源 項永金 王少輝

摘？要：高端變頻空調在實際應用中出現大量外機不工作，經過大量失效主板分析確認是主動式PFC電路中IGBT擊穿失效，本文結合大量失效品分析與電路設計分析，對IGBT失效原因及失效機理分析，分析結果表明：經過對IGBT失效分析及IGBT工作電路失效分析及整機相關波形檢測、熱設計分析、IGBT極限參數檢測對比發現IGBT失效由多種原因導致，IGBT在器件選型、器件可靠性、閂鎖效應、驅動控制、ESD能力等方面存在不足，逐一分析論證后從IGBT本身及電路設計方面全部提升IGBT工作可靠性。

關鍵詞：主動式PFC升壓電路；IGBT；SOA；閂鎖效應；ESD；熱擊穿失效

0 引言

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面優點。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，耐高壓、驅動功率小而飽和壓降低、開關速度快、開關損耗小，非常適合應用于直流電壓為600 V及以上的變流系統，如交流電機、開關電源、照明電路、牽引傳動。目前IGBT是綠色經濟領域里的核心技術之一，規范應用于在航空航天、新能源、軌道交通、工業變頻、智能電網等領域。IGBT作為自動控制和功率變換的關鍵核心部件，是必不可少的功率“核芯”。采用IGBT進行功率變換，能夠提高用電效率，提升用電質量，實現30%～40%的節能效果。即使對傳統設備進行IGBT技術改造，平均節電率仍可提升20%。此外，IGBT還是實現能源轉換的關鍵元件，光伏發電、風力發電、太陽能發電等新能源都要借助IGBT產品將電能輸送到電網中[1-4]。

1 分析與生效機理研究

1.1 失效器件無損檢測分析

1.1.1 X - ray透射分析

失效IGBT表面無損傷，萬用表測試1、2、3腳互相短路，X光透射內部IGBT芯片金線焊接等無異常，片芯表面有燒毀點（圖1），分析內部過電損傷導致失效。

1.1.2 開封解析

對主板失效IGBT進行開封解析，內部片芯表面有擊穿燒痕跡，IGBT失效均為有源區（active area）受到高能量損壞，分析主要為過電擊穿失效，如表1所示。

1.1.3 IGBT結構描述

絕緣柵雙極性晶體管IGBT等效電路如圖2所示。

1.1.4 失效IGBT應用電路

如圖3，紅框部分為PFC電路整流濾波部分，C401電容具有濾波和抑制EMI作用，PFC主電路部分由PFC電感L3、IGBT及快恢復二極管D901組成。當IGBT閉合時電感L3充能，IGBT斷開時電感L3釋放電能。IGBT應用電路結構圖如圖3所示。

2 失效原因及失效機理分析

經過對失效IGBT器件ESD能力檢測、極限參數測試分析（極限耐壓、SOA安全工作區、開關損耗、）、應用環境、驅動電路設計、整機工作波形分析、熱設計分析發現其存在眾多不足，總結歸納如下。

1）IGBT柵極ESD水平低，經過對IGBT柵極ESD水平測試，ST IGBT柵極ESD水平平均在3 400 V，最低只有2 900 V，生產過程易出現靜電放電損傷IGBT。ST IGBT與Renesas、Farichild（編者注：2016年被安森美收購）靜電能力測試對比結果如表2。

2）IGBT超出絕對最大值發生過電壓事件（RBSOA安全工作區）、閂鎖效應導致IGBT失效問題，經過分析與廠家測試有關，廠家測試標準較為寬松，對于離散在邊緣位置的一部分物料沒有有效篩選剔除，在過負荷環境，在電源質量差環境易出現IGBT閂鎖效應導致擊穿炸失效，廠家在片芯測試環節沒有實施片芯閂鎖效應測試篩選。

3）IGBT應用電路設計存在缺陷，在特殊條件下檢測有負壓存在，在PFC電路中若IGBT兩端存在負壓沒有二極管續流會損傷IGBT，導致擊穿失效。

4）IGBT柵極耐壓測試發現IGBT及2個廠家驅動芯片存在差異，東芝IGBT柵極極限耐壓在25～27 V，ST IGBT柵極極限耐壓在24 V，TC4427驅動芯片極限耐壓23 V，IR4427驅動芯片極限耐壓25～27 V。TC4427 IGBT驅動芯片耐壓偏低，低于實際應用24 V穩壓二極管工作電壓，當柵極電壓存在突變波動時，過壓沖擊將TC4427芯片擊穿，導致24 V穩壓二極管實際上沒有工作電壓。穩壓二極管選型不合理，需降低穩壓二極管耐壓水平。TC4427 IGBT驅動芯片極限耐壓水平在22 V，測試數據如表3。

IGBT驅動電路穩壓管選型為24 V，在TC4427的引腳Vout上會出現瞬態大電壓，在空調機組關閉的瞬間，實際檢測IGBT驅動波形發現最大脈沖電壓約為24 V，比TC4427規格書中的最大值22 V高出2 V，脈沖電壓超過最大值，器件的可靠性或使用壽命可能受影響。穩壓管值24 V是基于保護IR4427選擇的，無法有效保護TC4427。需要改變穩壓管值到22 V下，增大穩壓管功率，從而有效保護TC4427免受過壓沖擊損壞。

IGBT柵極極限耐壓測試如圖5～圖6，可見①G-E擊穿電壓：ST比東芝明顯偏低。②E-G擊穿電壓：ST比東芝明顯偏低。

TC4427芯片極限電壓測試，TC4427芯片VCC測試首次出現擊穿拐點在18～19 V，隨著施加電壓增加擊穿電壓增大，總體測試芯片擊穿電壓大致范圍在21～23 V之間。

5）模塊散熱效率差，散熱器使用金屬拉絲，表面粗糙度大（0.15 mm），影響模塊散熱效率，散熱器拉絲工藝外貌如圖7，需要降低粗糙度。更改散熱器銑削工藝。部分IGBT失效，通過分析為過流燒壞，進一步分析為功率器件散熱不良失效，對應IGBT螺釘鎖緊無異常。通過對故障件上匹配的散熱器粗糙度進行檢查，確認部分使用金屬拉絲工藝散熱器表面粗糙度較差，容易導致IGBT工作過程中局部地區散熱效果不佳，溫度積聚升高，過熱燒毀。

6）IGBT銅板與散熱器電氣間隙不合格導致燒毀問題，經過分析是硅膠片尺寸設計不合理，員工裝配存在差異，在硅膠片貼偏情況下，IGBT銅板與散熱器電氣出現間隙不合格擊穿燒毀IGBT。IGBT引腳與散熱器凸臺有一定間隙，硅膠片未能完全覆蓋，IGBT引腳與散熱器凸臺電氣間隙過小，也存在過電打火隱患。IGBT打火失效如圖8所示，需要增加硅膠片尺寸，保證有效電氣間隙。

3 IGBT工作可靠性提升方案

1）提升IGBT柵極ESD水平，由之前3 400 V提升至8 000 V。基本杜絕生產過程ESD損傷IGBT導致失效問題。ST新品ESD水平測試測試數據如表4，AB兩個廠家IGBT柵極ESD測試對比數據如圖9所示。

2）實施汽車級PPAT篩選測試標準，增加100%片芯閂鎖效應測試，廠家在片芯測試（增加PPAT測試篩選VTH、BVCES、VCESAT參數）環節實施片芯閂鎖效應測試篩選。PPAT測試能夠消除任何可能離群值或鎖存弱點如圖10所示，把離散的有質量可靠性問題物料全部剔除。

3）IGBT內部增加5 A/600 V續流二極管，用于防止IGBT可能出現的負壓，解決IGBT反向負壓導致IGBT失效問題，提高IGBT在復雜環境工作的可靠性。

4）IGBT柵極驅動穩壓二極管重新選型，將工作電壓由24 V改為20 V。

調整前段穩壓二極管穩壓值，保證工作冗余量。TC4427芯片極限工作電壓大于22 V，實際測試平均工作極限耐壓值23 V，IGBT驅動電路使用穩壓二極管為24 V，不能有效驅動IGBT保護電路，驅動芯片失效，導致IGBT擊穿失效。測試TC4427芯片（IGBT驅動芯片）各個批次的極限工作電壓大于22 V（符合規格書），普遍小于24 V，分析將線路設計中的24 V穩壓二極管變更成20 V后，可以更好保護電路中的驅動芯片和IGBT，如圖11所示。

5）驅動芯片改為IR4427芯片，該芯片柵極耐壓相對較高，TC4427耐壓在22～23 V，IR4427極限耐壓在25～27 V。

6）提升散熱效率，改變散熱器加工工藝，由金屬拉絲工藝改為銑削工藝，提高散熱器裝配面的粗糙度，由0.15 mm降低0.05 mm，IGBT散熱效率大幅度提升。IGBT整體溫升降低5 ℃。

7）硅膠片尺寸加長，更改硅膠片尺寸，杜絕硅膠片尺寸過小造成的IGBT與散熱器接觸打火燒毀。比之前加長8 mm，能更好包裹住IGBT本體底部及IGBT引腳，防止硅膠片與散熱器接觸出現漏電，以及電氣間隙不足導致的打火異常。

8）選取低熱阻的硅膠片，提高IGBT散熱效率，經過對新物料IGBT溫升及散熱效率測試，可以降低溫升5 ℃左右。降低IGBT熱擊穿失效概率，提高IGBT工作可靠性。

4 整改總結及意義

本文結合大量失效品分析與電路設計分析，對IGBT失效原因及失效機理分析的結果表明：經過對IGBT失效分析及IGBT工作電路失效分析及整機相關波形檢測、熱設計分析、IGBT極限參數檢測對比發現IGBT失效由多種原因導致，IGBT在器件選型、器件可靠性、閂鎖效應、驅動控制、ESD能力等方面存在不足，逐一分析論證后，從IGBT本身及電路設計方面提升IGBT工作可靠性。

參考文獻：

[1] 王瑞.大功率IGBT柵極驅動電路的研究[J].電氣自動化， 2014（3）：115-117.

[2] 楊閎盛，宋郭蒙，王雄.IGBT模塊與散熱器接觸界面氣隙對散熱的影響研究[J].機車電傳動，2020（1）：18-21，33.

[3] 尹新.基于柵極控制的IGBT關斷過電壓研究[J].電源技術，2016（3）：680-683.

[4] 唐勇.高溫下的IGBT可靠性與在線評估[J].電工技術學報，2014（6）：17-23.