IGBT的芯片结构及其失效模式分析

IGBT内部结构及常见失效模式,主要内容,一、IGBT的结构二、IGBT常见的失效模式三、Q&A,一、IGBT的结构,1.芯片结构和特征,2.IGBT芯片结构的变迁,平面型发展方向：平面型沟槽型软沟槽型垂直发展方向：穿透非穿透场终止,图1.3IGBT芯片发展历程,(ABB第1代)“128”正温度系数软穿通最大结Tj=150C,(Infineon第3)“T3”正温度系数“场终止”最大结Tj=150C,(Infineon第4代)“T4”正温度系数场终止最大结Tj=175C开关损耗降低30%,IGBT模块的封装工序流程：芯片和DBC焊接邦线DCB和铜底板焊接安装外壳灌注硅胶密封终测,3.IGBT芯片的结构和封装流程,图1.4IGBT模块构造图,图1.5IGBT模块封装图,典型三电平主回路拓扑结构,1.图示8处插入铜排，引出的为1管的集电极（C级）2.图示5处接1管的集电极3.图示4处接1管的门极（G级）4.图示3处接1管的发射极（E级）同时为2管的集电极（C极）同时为钳位二极管的负端5.图示9处接钳位二极管的正端6.图示1处接2管的门极（G级）7.图示2处接2管的发射极（E级）8.图示10处接2管的发射极（E级）9.图示6、7两端接热敏电阻的两端,2,4,8,3,5,2,1,6,7,9,10,接线图横,七单元系列,六单元系列,两单元系列,二、IGBT常见的失效模式,1.IGBT失效机理和其它任何功率半导体器件一样，IGBT工作的应用可靠性极大程度上依赖于对结温TJ的控制，其失效率随结温的递增几乎呈指数递增的关系。因此,过温失效是IGBT的最重要失效模式。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。,当IGBT关断过高的脉冲集电极电流ICM时同样可能产生较高的集电极电压VCE而产生电压击穿失效。多数器件制造商推荐的IGBT工作电压VCE的上限值为80额定电压。IGBT的栅极和MOSFET一样多属于MOS（金属-氧化物-半导体）结构，当栅极引入过电压时可导致栅氧层的缺陷产生或直接击穿而使IGBT失效栅极过电压失效。另外，当IGBT栅极引入高电压时，集电极电流会跟随变大，关断这个电流而产生的集电极过电压（VCE）有可能使集电极产生击穿栅极过电压引起的集电极过电压失效。,2.常见的失效原因过电压：VCE过电压*关断浪涌电压*母线电压上升*控制信号异常*外部浪涌电压（雷电浪涌等）VGE过电压*静电*栅极驱动回路异常*栅极振荡*与高压相连*外部浪涌,过流、热失效：散热设计不完善短路过电流栅极电压欠压极配线开路开关频率异常增加开关时间过长散热不良,功率循环与热循环：过大的温度变化过频繁的温度变化,3.一些失效案例,A、过压失效,IGBT芯片耐压环位置损坏严重,IGBT芯片耐压环位置损坏严重,故障点靠近硅片边沿或传感器,其电场较强。,3.一些失效案例,A、过压失效,故障点靠近硅片边沿或传感器,其电场较强。,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。损坏的原因一般有以下几种：1、输出短路或输出接地；2、母线铜牌打火导致浪涌电流；3、门极控制信号异常（有干扰源或者本身器件损坏）,B、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.,IGBT芯片绑线点位置损坏严重,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。损坏的原因一般有以下几种：1、输出短路或输出接地；2、母线铜牌打火导致浪涌电流；3、门极控制信号异常（有干扰源或者本身器件损坏）,C、过热失效,故障点位于硅片中心附近,该区域发热严重。,IGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出,IGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出,典型过热损坏,IGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出,IGBT芯片表面有熔融的球状物并且底部有锡溢出,综述：IGBT芯片有龟裂或者表面有熔融的球状物，出现此类现象时，可以判定为过电流损坏。损坏的原因一般有以下几种：1、瞬间通过极大电流导致瞬时结温过高；2、散热不良，或者散热硅脂涂抹不到位；3、器件本身空洞率过高,D、门极过电压,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。,IGBT芯片门极绑线点有损坏的痕迹,放大后,IGBT芯片门极总线点有损坏的痕迹,综述：IGBT芯片门极绑线点或者门极总线有损坏，出现此类现象时，可以判定为门极过电压损坏。损坏的原因一般有以下几种：1、静电击穿；2、门极有较大的电压振荡；3