IGBT的芯片结构及失效模式.ppt

IGBTIGBT内部结构及常见失效内部结构及常见失效模式模式主要内容主要内容一、一、IGBT的结构的结构二、二、IGBT常见的失效模式常见的失效模式三、三、Q&A一、IGBT的结构1.芯片结构和特征芯片结构和特征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图1.3 IGBT1.3 IGBT芯片发展历程芯片发展历程(ABB(ABB 第第1 1代代)“128128”正温度系数正温度系数软穿通软穿通最大结最大结Tj=150Tj=150CC(Infineon(Infineon 第第3)3)“T3T3”正温度系数正温度系数“场终止场终止”最大结最大结Tj=150Tj=150CCn n+n n-collectorcollectorGateGateEmitterEmitterTrench-IGBTTrench-IGBT p p+135135 m mn n+p pn n+n n-CollectorCollectorGateGateEmitterEmitterTrench4 IGBTTrench4 IGBTp p+125125 m mn n+p p(Infineon(Infineon 第第4 4代代)“T4T4”正温度系数正温度系数场终止场终止最大结最大结Tj=175Tj=175CC开关损耗降低开关损耗降低30%30%n n+n n-CollectorCollectorGateGateEmitterEmitterSPT-IGBTSPT-IGBTp p+p pn n135135m mIGBTIGBT模块的封装工序流程模块的封装工序流程：芯片和芯片和DBCDBC焊接邦线焊接邦线DCBDCB和铜底板焊接和铜底板焊接安装外壳安装外壳灌注硅胶灌注硅胶密封密封终测终测3.IGBT芯片的结构和封装流程芯片的结构和封装流程图图1.4 IGBT1.4 IGBT模块构造图模块构造图图图1.5 IGBT1.5 IGBT模块封装图模块封装图典型三电平主回路拓扑结构典型三电平主回路拓扑结构1.1.图示图示8 8处插入铜排，引出的为处插入铜排，引出的为1 1管管 的集电极（的集电极（C C级）级）2.2.图示图示5 5处接处接1 1管的集电极管的集电极3.3.图示图示4 4处接处接1 1管的门极（管的门极（G G级）级）4.4.图示图示3 3处接处接1 1管的发射极（管的发射极（E E级）级）同时为同时为2 2管的集电极（管的集电极（C C极）极）同时为钳位二极管的负端同时为钳位二极管的负端5.5.图示图示9 9处接钳位二极管的正端处接钳位二极管的正端6.6.图示图示1 1处接处接2 2管的门极（管的门极（G G级）级）7.7.图示图示2 2处接处接2 2管的发射极（管的发射极（E E级）级）8.8.图示图示1010处接处接2 2管的发射极（管的发射极（E E级）级）9.9.图示图示6 6、7 7两端接热敏电阻的两端两端接热敏电阻的两端2 24 48 83 35 52 2 1 16 6 7 79 91010接线图横接线图横七七单单元系列元系列六六单单元系列元系列两两单单元系列元系列二、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：过流、热失效：散热设计不完善散热设计不完善 短路短路 过电流过电流 栅极电压欠压栅极电压欠压 极配线开路极配线开路 开关频率异常增加开关频率异常增加 开关时间过长开关时间过长 散热不良散热不良功率循环与热循环：功率循环与热循环：过大的温度变化过大的温度变化 过频繁的温度变化过频繁的温度变化3.一些失效案例一些失效案例A、过压失效、过压失效IGBTIGBT芯片耐压环位置损坏严重芯片耐压环位置损坏严重IGBTIGBT芯片耐压环位置损坏严重芯片耐压环位置损坏严重故障点靠近硅片边沿或传感器故障点靠近硅片边沿或传感器,其电场较强。其电场较强。3.一些失效案例一些失效案例A、过压失效、过压失效故障点靠近硅片边沿或传感器故障点靠近硅片边沿或传感器,其电场较强。其电场较强。综述：综述：IGBT芯片铝线和芯片表面键合位置为绑线点，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。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：损坏的原因一般有以下几种：1、输出短路或输出接地；、输出短路或输出接地；2、母线铜牌打火导致浪涌电流；、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）、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、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故障点集中于绑定线区域，因为短路电流流向是从背部的部的C 到绑定线部位的到绑定线部位的E.IGBTIGBT芯片绑线点位置损坏严重芯片绑线点位置损坏严重 综述：综述：IGBTIGBT芯片铝线和芯片表面键合位置为绑线点，当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。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：损坏的原因一般有以下几种：1 1、输出短路或输出接地；、输出短路或输出接地；2 2、母线铜牌打火导致浪涌电流；、母线铜牌打火导致浪涌电流；3 3、门极控制信号异常（有干扰源或者本身器件损坏）、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、过热失效故障点位于硅片中心附近故障点位于硅片中心附近,该区域发热严重。该区域发热严重。IGBTIGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出IGBTIGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出典型过热损坏典型过热损坏IGBTIGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出IGBTIGBT芯片表面有熔融的球状物并且底部有锡溢出芯片表面有熔融的球状物并且底部有锡溢出 综述：综述：IGBTIGBT芯片有龟裂或者表面有熔融的球状物，出现此类现象时，可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。以判定为过电流损坏。损坏的原因一般有以下几种：损坏的原因一般有以下几种：1 1、瞬间通过极大电流导致瞬时结温过高；、瞬间通过极大电流导致瞬时结温过高；2 2、散热不良，或者散热硅脂涂抹不到位；、散热不良，或者散热硅脂涂抹不到位；3 3、器件本身空洞率过高、器件本身空洞率过高D、门极过电压、门极过电压故障点位于栅氧化层故障点位于栅氧化层,由于栅氧化层几乎分布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。现在硅片的任意地方。IGBTIGBT芯片门极绑线点有损坏的痕迹芯片门极绑线点有损坏的痕迹放大后放大后IGBTIGBT芯片门极总线点有损坏的痕迹芯片门极总线点有损坏的痕迹 综述：综述：IGBTIGBT芯片门极绑线点或者门极总线有损坏，出现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。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：损坏的原因一般有以下几种：1 1、静电击穿；、静电击穿；2 2、门极有较大的电压振荡；、门极有较大的电压振荡；3 3、驱动电路有浪涌信号通过；、驱动电路有浪涌信号通过；D、功率循环疲劳、功率循环疲劳键合线从硅片脱落。由于热膨胀系数的不同而产键合线从硅片脱落。由于热膨胀系数的不同而产生的应力，导致铝线剥落。生的应力，导致铝线剥落。E、热循环疲劳、热循环疲劳位于底板和绝缘基片间的焊接层破裂，这是位于底板和绝缘基片间的焊接层破裂，这是由于热膨胀系数的不同而产生的应力所导致。由于热膨胀系数的不同而产生的应力所导致。