功率半導(dǎo)體IGBT失效分析與可靠性研究

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(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET 的高輸入阻抗和GTR 的低導(dǎo)通壓降兩方面優(yōu)點(diǎn)。IGBT 綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，耐高壓、驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低、開關(guān)速度快、開關(guān)損耗小，非常適合應(yīng)用于直流電壓為600 V 及以上的變流系統(tǒng)，如交流電機(jī)、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)。目前IGBT 是綠色經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域里的核心技術(shù)之一，規(guī)范應(yīng)用于在航空航天、新能源、軌道交通、工業(yè)變頻、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。IGBT 作為自動(dòng)控制和功率變換的關(guān)鍵核心部件，是必不可少的功率“核芯”。采用IGBT 進(jìn)行功率變換，能夠提高用電效率，提升用電質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)30%~40% 的節(jié)能效果。即使對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行IGBT 技術(shù)改造，平均節(jié)電率仍可提升20%。此外，IGBT 還是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等新能源都要借助IGBT 產(chǎn)品將電能輸送到電網(wǎng)中^[1-4]。

1   分析與生效機(jī)理研究

1.1 失效器件無損檢測(cè)分析

1.1.1 X-ray透射分析

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

圖1 IGBT X光透射圖片

1.1.2 開封解析

對(duì)主板失效IGBT 進(jìn)行開封解析，內(nèi)部片芯表面有擊穿燒痕跡，IGBT 失效均為有源區(qū)（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(jié)構(gòu)描述

絕緣柵雙極性晶體管IGBT 等效電路如圖2 所示。

圖2 IGBT結(jié)構(gòu)描述

1.1.4 失效IGBT應(yīng)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(fù)二極管D901 組成。當(dāng)IGBT 閉合時(shí)電感L3 充能，IGBT 斷開時(shí)電感L3 釋放電能。IGBT 應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 IGBT應(yīng)用電路

2   失效原因及失效機(jī)理分析

經(jīng)過對(duì)失效IGBT 器件ESD 能力檢測(cè)、極限參數(shù)測(cè)試分析（極限耐壓、SOA 安全工作區(qū)、開關(guān)損耗、）、應(yīng)用環(huán)境、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、整機(jī)工作波形分析、熱設(shè)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)其存在眾多不足，總結(jié)歸納如下。1）IGBT 柵極ESD 水平低，經(jīng)過對(duì)IGBT 柵極ESD水平測(cè)試，ST IGBT 柵極ESD 水平平均在3 400 V，最低只有2 900 V， 生產(chǎn)過程易出現(xiàn)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(cè)試對(duì)比結(jié)果如表2。

2）IGBT 超出絕對(duì)最大值發(fā)生過電壓事件（RBSOA安全工作區(qū)）、閂鎖效應(yīng)導(dǎo)致IGBT 失效問題，經(jīng)過分析與廠家測(cè)試有關(guān)，廠家測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)較為寬松，對(duì)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(fù)荷環(huán)境，在電源質(zhì)量差環(huán)境易出現(xiàn)IGBT 閂鎖效應(yīng)導(dǎo)致?lián)舸┱ㄊ?，廠家在片芯測(cè)試環(huán)節(jié)沒有實(shí)施片芯閂鎖效應(yīng)測(cè)試篩選。

3）IGBT 應(yīng)用電路設(shè)計(jì)存在缺陷，在特殊條件下檢測(cè)有負(fù)壓存在，在PFC 電路中若IGBT 兩端存在負(fù)壓沒有二極管續(xù)流會(huì)損傷IGBT，導(dǎo)致?lián)舸┦А?/p>

4）IGBT 柵極耐壓測(cè)試發(fā)現(xiàn)IGBT 及2 個(gè)廠家驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)芯片極限耐壓23 V，IR4427 驅(qū)動(dòng)芯片極限耐壓25~27 V。TC4427 IGBT 驅(qū)動(dòng)芯片耐壓偏低，低于實(shí)際應(yīng)用24 V 穩(wěn)壓二極管工作電壓，當(dāng)柵極電壓存在突變波動(dòng)時(shí)，過壓沖擊將TC4427 芯片擊穿，導(dǎo)致24 V穩(wěn)壓二極管實(shí)際上沒有工作電壓。穩(wěn)壓二極管選型不合理，需降低穩(wěn)壓二極管耐壓水平。TC4427 IGBT 驅(qū)動(dòng)芯片極限耐壓水平在22 V，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3。

IGBT 驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)壓管選型為24 V，在TC4427 的引腳Vout 上會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)大電壓，在空調(diào)機(jī)組關(guān)閉的瞬間，實(shí)際檢測(cè)IGBT 驅(qū)動(dòng)波形發(fā)現(xiàn)最大脈沖電壓約為24 V，比TC4427 規(guī)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(wěn)壓管值24 V 是基于保護(hù)IR4427 選擇的，無法有效保護(hù)TC4427。需要改變穩(wěn)壓管值到22 V下，增大穩(wěn)壓管功率，從而有效保護(hù)TC4427 免受過壓沖擊損壞。IGBT 柵極極限耐壓測(cè)試如圖5~ 圖6，可見① G-E擊穿電壓：ST 比東芝明顯偏低。② E-G 擊穿電壓：ST比東芝明顯偏低。

圖5、圖6 東芝ST IGBT柵極耐壓測(cè)試對(duì)比

TC4427 芯片極限電壓測(cè)試，TC4427 芯片VCC 測(cè)試首次出現(xiàn)擊穿拐點(diǎn)在18~19 V，隨著施加電壓增加擊穿電壓增大，總體測(cè)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(jìn)一步分析為功率器件散熱不良失效，對(duì)應(yīng)IGBT 螺釘鎖緊無異常。通過對(duì)故障件上匹配的散熱器粗糙度進(jìn)行檢查，確認(rèn)部分使用金屬拉絲工藝散熱器表面粗糙度較差，容易導(dǎo)致IGBT 工作過程中局部地區(qū)散熱效果不佳，溫度積聚升高，過熱燒毀。

圖7 散熱器金屬拉絲外貌

6）IGBT 銅板與散熱器電氣間隙不合格導(dǎo)致燒毀問題，經(jīng)過分析是硅膠片尺寸設(shè)計(jì)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(xiàn)間隙不合格擊穿燒毀IGBT。IGBT 引腳與散熱器凸臺(tái)有一定間隙，硅膠片未能完全覆蓋，IGBT 引腳與散熱器凸臺(tái)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。

圖8 失效件IGBT打火圖片

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?；径沤^生產(chǎn)過程ESD 損傷IGBT 導(dǎo)致失效問題。ST 新品ESD 水平測(cè)試測(cè)試數(shù)據(jù)如表4，AB兩個(gè)廠家IGBT 柵極ESD 測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)如圖9 所示。

圖9 IGBT柵極ESD水平測(cè)試對(duì)比

2）實(shí)施汽車級(jí)PPAT 篩選測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，增加100% 片芯閂鎖效應(yīng)測(cè)試，廠家在片芯測(cè)試（增加PPAT 測(cè)試篩選VTH、BVCES、VCESAT 參數(shù)）環(huán)節(jié)實(shí)施片芯閂鎖效應(yīng)測(cè)試篩選。PPAT 測(cè)試能夠消除任何可能離群值或鎖存弱點(diǎn)如圖10 所示，把離散的有質(zhì)量可靠性問題物料全部剔除。

圖10 片芯測(cè)試篩選標(biāo)準(zhǔn)圖

3）IGBT 內(nèi)部增加5 A/600 V 續(xù)流二極管， 用于防止IGBT 可能出現(xiàn)的負(fù)壓，解決IGBT 反向負(fù)壓導(dǎo)致IGBT 失效問題，提高IGBT 在復(fù)雜環(huán)境工作的可靠性。

4）IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)穩(wěn)壓二極管重新選型，將工作電壓由24 V 改為20 V。

調(diào)整前段穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓值，保證工作冗余量。TC4427 芯片極限工作電壓大于22 V，實(shí)際測(cè)試平均工作極限耐壓值23 V，IGBT 驅(qū)動(dòng)電路使用穩(wěn)壓二極管為24 V，不能有效驅(qū)動(dòng)IGBT 保護(hù)電路，驅(qū)動(dòng)芯片失效，導(dǎo)致IGBT 擊穿失效。測(cè)試TC4427 芯片（IGBT 驅(qū)動(dòng)芯片）各個(gè)批次的極限工作電壓大于22 V（符合規(guī)格書），普遍小于24 V，分析將線路設(shè)計(jì)中的24 V 穩(wěn)壓二極管變更成20 V 后，可以更好保護(hù)電路中的驅(qū)動(dòng)芯片和IGBT，如圖11 所示。

圖13 IGBT驅(qū)動(dòng)電路圖

5）驅(qū)動(dòng)芯片改為IR4427 芯片，該芯片柵極耐壓相對(duì)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(zhǎng)，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(zhǎng)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(xiàn)漏電，以及電氣間隙不足導(dǎo)致的打火異常。

8）選取低熱阻的硅膠片，提高IGBT 散熱效率，經(jīng)過對(duì)新物料IGBT 溫升及散熱效率測(cè)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(jié)及意義

本文結(jié)合大量失效品分析與電路設(shè)計(jì)分析，對(duì)IGBT 失效原因及失效機(jī)理分析的結(jié)果表明：經(jīng)過對(duì)IGBT 失效分析及IGBT 工作電路失效分析及整機(jī)相關(guān)波形檢測(cè)、熱設(shè)計(jì)分析、IGBT 極限參數(shù)檢測(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn)IGBT 失效由多種原因?qū)е?，IGBT 在器件選型、器件可靠性、閂鎖效應(yīng)、驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)方面提升IGBT 工作可靠性。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年8月期）