2020-02-04-1小刘闷在家的科研笔记

今年的春节假期是小刘从业以来最长的一次，不亚于学生的寒假，由于公司还未复工，小刘不想浪费自己的时间即生命，故每天更新自己的学习笔记，希望能对从事光电工艺，半导体工艺，MEMS工艺等相关从业人员有所帮助，谢谢。-小刘来自华慧高芯网

华慧高芯知识库 | IGBT失效分析（一）

随着电力电子器件制造技术的发展，高性能、大容量的绝缘栅双极晶体管（IGBT）因其具有电压型控制、输入阻抗大、驱动功率小、开关损耗低及工作频率高等特点，而越来越多地应用到工作频率为几十kHz以下，输出功率从几kW到几百kW的各类电力变换装置中。本系列将重点记录IGBT模块的失效分析。

IGBT模块的失效分析

IGBT模块的失效分析就是通过对失效器件进行各种测试，如物理、化学、金相等试验，确定器件失效的形式（失效模式），分析造成IGBT模块失效的物理和化学过程（失效机理），寻找IGBT模块失效原因，制订纠正和改进措施，以提高它的固有可靠性和使用可靠性，是改进电子产品质量最积极、最根本的办法，对提高整机可靠性有着十分重要的作用。借助实验的案例，发现典型的IGBT失效特征包含：过压失效、过流失效、过热失效、机械失效以及超出反偏安全工作区失效。

1.  过压失效

1.1栅极过压  

IGBT的栅极-发射极驱动电压的保证值为正负20v，如果在它栅极和发射极之间加上超过保证值的电压，则可能损坏IGBT，另外，如IGBT的栅极与发射极间开路，而在其集电极与发射极之间加上电压，则随着集电极电极电位的变化，由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在栅极电位升高，集电极-发射极有电流流过。这时如集电极和发射极间处于高压状态，可能会使IGBT发热甚至损坏。

图片转载自华慧高芯公众号

1.2集电极-发射极过电压

IGBT集电极-发射极过电压的产生主要有两种情况：一是施加到IGBT的集电极-发射极间的直流电压过高，另一种是集电极-发射极间的浪涌电压过高。所以实际使用过程要综合考虑。

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1.3杂散电感过电压

因为电路中杂散电感的存在，而IGBT的开关频率较高，当IGBT关断时与开通时，就会产生很大的电压，威胁到IGBT的安全。

2. 过流失效

2.1短路失效

失效位置发生在IGBT有源区(不含栅极)，如图2所示。失效表现为模块中多个IGBT 芯片同时严重烧毁。发生失效的条件：一是芯片短路安全工作区不能满足系统设计要求，或者短路安全工作区发生退化;二是工况发生异常，IGBT回路出现短路且IGBT未能及时被保护;三是半桥臂出现短路(IGBT或续流二极管)，导致另一半桥臂IGBT被短路，发生短路失效;四是工作环境温度升高，导致芯片结温升高，短路安全工作区范围变小;五是控制信号问题，导致IGBT误开关，引起(桥臂)短路失效。

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2.1过电流脉冲引起的失效

失效位置通常发生在IGBT有源区(不含栅极)键合点周围，如图，3所示。失效表现为键合点周围芯片表面有烧损，一般键合线没有完全脱落。因为电路中有效功率较低，过电流脉冲引起的损坏没有短路时的严重。失效发生条件：一是由于触发问题，导致IGBT芯片突然流过一个峰值较大的电流脉冲;二是续流二极管反向恢复电流、缓冲电容的放电电流及噪声干扰造成的尖峰电流等产生的电流脉冲，这种瞬态过电流同样可能引起IGBT失效。

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