IGBT的芯片結(jié)構(gòu)及其失效模式分析PPT課件

1、IGBTIGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)及常見失效內(nèi)部結(jié)構(gòu)及常見失效模式模式12021/3/9主要內(nèi)容一、IGBT的結(jié)構(gòu)二、IGBT常見的失效模式三、Q&A22021/3/9一、IGBT的結(jié)構(gòu)1.芯片結(jié)構(gòu)和特征32021/3/92.IGBT芯片結(jié)構(gòu)的變遷42021/3/9 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1.3 IGBT芯片發(fā)展歷程52021/3/9(ABB 第1代)“128” 正溫度系數(shù)軟穿通最大結(jié)Tj=150C(Infineon 第3)“T3” 正溫度系數(shù)“場終止”最大結(jié)Tj=150Cn +n -collectorGateEmitterTrench-IGB

2、T p +135 mn +pn +n -CollectorGateEmitterTrench4 IGBTp +125 mn +p(Infineon 第4代)“T4” 正溫度系數(shù)場終止最大結(jié)Tj=175C開關(guān)損耗降低30%n+n-CollectorGateEmitterSPT-IGBTp+pn135m62021/3/9IGBT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1.4 IGBT模塊構(gòu)造圖圖1.5 IGBT模塊封裝圖72021/3/9典型三電平主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)典型三電平主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)82021/3/992021/3/9

3、102021/3/91.圖示8處插入銅排，引出的為1管 的集電極（C級）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）4.圖示3處接1管的發(fā)射極（E級） 同時為2管的集電極（C極） 同時為鉗位二極管的負(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）7.圖示2處接2管的發(fā)射極（E級）8.圖示10處接2管的發(fā)射極（E級）9.圖示6、7兩端接熱敏電阻的兩端2 24 48 83 35 52 2 1 16 6 7 79 91010112021/3/9122021/3/9132021/3/9接線圖橫142021/3/9七單元系列152021/3/9六單元系列162021/3/

4、9兩單元系列172021/3/9182021/3/9192021/3/9二、IGBT常見的失效模式 1. IGBT失效機理 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極有可能造成永久性損壞電壓擊穿失效。202021/3/9 當(dāng)IGBT關(guān)斷過高的脈沖集電極電流

5、ICM時同樣可能產(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，集電極電流會跟隨變大，關(guān)斷這個電流而產(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。 212021/3/9 2.常見的失效原因過電壓： VCE過電壓 *關(guān)斷浪涌電壓 *母線電壓上升 *控制信號異常 *外部浪涌電壓（雷電浪涌等） VGE過電壓 *

6、 靜電 * 柵極驅(qū)動回路異常 * 柵極振蕩 * 與高壓相連 *外部浪涌222021/3/9過流、熱失效： 散熱設(shè)計不完善 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)時間過長 散熱不良功率循環(huán)與熱循環(huán)： 過大的溫度變化 過頻繁的溫度變化232021/3/93.一些失效案例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)重故障點靠近硅片邊沿或傳感器, 其電場較強。242021/3/93.一些失效案例A、過壓失效故障點靠近硅片邊沿或傳感器, 其電場較強。252021/3/9 綜述：IGBT芯片鋁線和芯片表面鍵合位置為綁線點，當(dāng)此位置出現(xiàn)類似現(xiàn)象時，可以判定為

7、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、門極控制信號異常（有干擾源或者本身器件損壞）262021/3/9B、過流失效故障點集中于綁定線區(qū)域，因為短路電流流向是從背部的C 到綁定線部位的E.IGBT芯片綁線點位置損壞嚴(yán)重272021/3/9282021/3/9 綜述：IGBT芯片鋁線和芯片表面鍵合位置為綁線點，當(dāng)此位置出現(xiàn)類似現(xiàn)象時，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、門極控制信號異常（有干擾源或者本身器件損壞）292021/3/9C、過熱失效故障點位于硅片中心附近,

8、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302021/3/9IGBT芯片有龜裂的現(xiàn)象并且底部有錫溢出312021/3/9322021/3/9典型過熱損壞IGBT芯片有龜裂的現(xiàn)象并且底部有錫溢出332021/3/9IGBT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，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342021/3/9D、門極過電壓故障點位于柵氧化層, 由于柵氧化層幾乎分布在硅片的每個部位，所以故障點可能隨機出現(xiàn)在硅片的任意地方。352021/3/9IGBT芯片門極綁線點有損壞的痕跡362021/3/9放大后IGBT芯片門極總線點有損壞的痕跡 綜述：IGBT芯片門極綁線點或者門極總線有損壞，出現(xiàn)此類現(xiàn)象時，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、門極有較大的電壓振蕩；3、驅(qū)動電路有浪涌信號通過；372021/3/9D、功率循環(huán)疲勞鍵合線從