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IGBT失效分析

发布时间:2017-11-24

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。IGBT模块的失效分析就是通过对失效器件进行各种测试和物理、化学、金相试验,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。本文借助实验的案例,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。


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。


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。


2.2 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。


3. 过热失效

过热损坏集电极电流过大引起的瞬时过热及其它原因,如散热不良导致的持续过热均会使IGBT损坏。如果器件持续短路,大电流产生的功耗将引起温升,由于芯 片的热容量小,其温度迅速上升,若芯片温度超过硅本征温度(约250℃),器件将失去阻断能力,栅极控制就无法保护,从而导致IGBT失效。实际运行时,一般最高允许的工作温度为130℃左右。


4. 机械失效

失效表现为陶瓷基板上有裂痕。失效原因是安装产生的强应力导致陶瓷基板破裂。发生失效的条件:一是导热硅脂涂抹不均匀,使得底板和散热器的接触不在同一个平面,在紧固时产生应力导致陶瓷基板破裂,二是紧固力和紧固顺序不合适,在陶瓷基板上产生应力,导致陶瓷基板破裂;三是模块在搬运或应用过程中受到强外力的影响。


5. 超出反偏安全工作区失效

超出关断安全工作区引起擎住效应而损坏擎住效应分静态擎住效应和动态擎住效应。IGBT为PNPN4层结构,其等效电路如图1所示。体内存在一个寄生晶闸管,在NPN晶体管的基极与发射极之间并有一个体区扩展电阻Rs,P型体内的横向空穴电流在Rs上会产生一定的电压降,对NPN基极来说,相当于一个正向偏置电压。在规定的集电极电流范围内,这个正偏置电压不大,对NPN晶体管不起任何作用。当集电极电流增大到一定程度时,该正向电压足以使NPN晶体管开通,进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态。于是,寄生晶闸管导通,门极失去控制作用,形成自锁现象,这就是所谓的静态擎住效应。IGBT发生擎住效应后,集电极电流增大,产生过高功耗,导致器件失效。动态擎住效应主要是在器件高速关断时电流下降太快,dvCE/dt很大,引起较大位移电流,流过 Rs,产生足以使NPN晶体管开通的正向偏置电压,造成寄生晶闸管自锁。