IGBT的芯片结构和失效模式
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
IGBT内部结构及常见失效 模式
主要内容
一、IGBT的结构 二、IGBT常见的失效模式 三、Q&A
一、IGBT的结构
1.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1.3 IGBT芯片发展历程
Trench-IGBT
Gate
Emitter
n+ p
n-
135 µm
n+ p+
collector
– (Infineon 第3) – “T3” – 正温度系数 – “场终止” – 最大结Tj=150°C
SPT-百度文库GBT
Gate
Emitter
n p
n-
135µm
n+ p+
Collector
– (ABB 第1代) – “128” – 正温度系数 – 软穿通 – 最大结Tj=150°C
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。
• 2.常见的失效原因 ①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
②过流、热失效： 散热设计不完善 短路 过电流 栅极电压欠压 极配线开路 开关频率异常增加 开关时间过长 散热不良
5.图示9处接钳位二极管的正端 6.图示1处接2管的门极（G级） 7.图示2处接2管的发射极（E级） 8.图示10处接2管的发射极（E级） 9.图示6、7两端接热敏电阻的两端
接线图横
七单元系列
六单元系列
两单元系列
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。
Trench4 IGBT
Gate
Emitter
n+ p
n-
125 µm
n+ p+
Collector
– (Infineon 第4代) – “T4” – 正温度系数 – 场终止 – 最大结Tj=175°C – 开关损耗降低30%
3.IGBT芯片的结构和封装流程
IGBT模块的封装工序流程：
芯片和DBC焊接邦线→DCB和铜底板焊接→安装外壳→灌注硅胶→密封→终测
损坏的原因一般有以下几种： 1、输出短路或输出接地； 2、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）
B、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 部的‘C’ 到绑定线部位的'E'.
IGBT芯片绑线点位置损坏严重
综述：IGBT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。
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。
IGBT芯片门极绑线点有损坏的痕迹
放大后
IGBT芯片门极总线点有损坏的痕迹 综述：IGBT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。 损坏的原因一般有以下几种： 1、静电击穿； 2、门极有较大的电压振荡； 3、驱动电路有浪涌信号通过；
D、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 生的应力，导致铝线剥落。
③功率循环与热循环： 过大的温度变化 过频繁的温度变化
3.一些失效案例 A、过压失效
故障点靠近硅片边沿或传感器, 其电场较强。
IGBT芯片耐压环位置损坏严重
IGBT芯片耐压环位置损坏严重
3.一些失效案例 A、过压失效
故障点靠近硅片边沿或传感器, 其电场较强。
综述：IGBT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。
图1.4 IGBT模块构造图
图1.5 IGBT模块封装图
典型三电平主回路拓扑结构
21 8 10 9
34
67 5
1.图示8处插入铜排，引出的为1管 的集电极（C级）
2.图示5处接1管的集电极 2 3.图示4处接1管的门极（G级）
4.图示3处接1管的发射极（E级） 同时为2管的集电极（C极） 同时为钳位二极管的负端
E、热循环疲劳
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。
知识回顾 Knowledge Review
放映结束 感谢各位的批评指导！
谢 谢！
让我们共同进步
损坏的原因一般有以下几种： 1、输出短路或输出接地； 2、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）
C、过热失效
故障点位于硅片中心附近,该区域发热严重。
IGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出
IGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出
典型过热损坏 IGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出
IGBT芯片表面有熔融的球状物并且底部有锡溢出
综述：IGBT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。
损坏的原因一般有以下几种： 1、瞬间通过极大电流导致瞬时结温过高； 2、散热不良，或者散热硅脂涂抹不到位； 3、器件本身空洞率过高
D、门极过电压
故障点位于栅氧化层, 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 现在硅片的任意地方。
主要内容
一、IGBT的结构 二、IGBT常见的失效模式 三、Q&A
一、IGBT的结构
1.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1.3 IGBT芯片发展历程
Trench-IGBT
Gate
Emitter
n+ p
n-
135 µm
n+ p+
collector
– (Infineon 第3) – “T3” – 正温度系数 – “场终止” – 最大结Tj=150°C
SPT-百度文库GBT
Gate
Emitter
n p
n-
135µm
n+ p+
Collector
– (ABB 第1代) – “128” – 正温度系数 – 软穿通 – 最大结Tj=150°C
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。
• 2.常见的失效原因 ①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
②过流、热失效： 散热设计不完善 短路 过电流 栅极电压欠压 极配线开路 开关频率异常增加 开关时间过长 散热不良
5.图示9处接钳位二极管的正端 6.图示1处接2管的门极（G级） 7.图示2处接2管的发射极（E级） 8.图示10处接2管的发射极（E级） 9.图示6、7两端接热敏电阻的两端
接线图横
七单元系列
六单元系列
两单元系列
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。
Trench4 IGBT
Gate
Emitter
n+ p
n-
125 µm
n+ p+
Collector
– (Infineon 第4代) – “T4” – 正温度系数 – 场终止 – 最大结Tj=175°C – 开关损耗降低30%
3.IGBT芯片的结构和封装流程
IGBT模块的封装工序流程：
芯片和DBC焊接邦线→DCB和铜底板焊接→安装外壳→灌注硅胶→密封→终测
损坏的原因一般有以下几种： 1、输出短路或输出接地； 2、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）
B、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 部的‘C’ 到绑定线部位的'E'.
IGBT芯片绑线点位置损坏严重
综述：IGBT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。
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。
IGBT芯片门极绑线点有损坏的痕迹
放大后
IGBT芯片门极总线点有损坏的痕迹 综述：IGBT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。 损坏的原因一般有以下几种： 1、静电击穿； 2、门极有较大的电压振荡； 3、驱动电路有浪涌信号通过；
D、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 生的应力，导致铝线剥落。
③功率循环与热循环： 过大的温度变化 过频繁的温度变化
3.一些失效案例 A、过压失效
故障点靠近硅片边沿或传感器, 其电场较强。
IGBT芯片耐压环位置损坏严重
IGBT芯片耐压环位置损坏严重
3.一些失效案例 A、过压失效
故障点靠近硅片边沿或传感器, 其电场较强。
综述：IGBT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。
图1.4 IGBT模块构造图
图1.5 IGBT模块封装图
典型三电平主回路拓扑结构
21 8 10 9
34
67 5
1.图示8处插入铜排，引出的为1管 的集电极（C级）
2.图示5处接1管的集电极 2 3.图示4处接1管的门极（G级）
4.图示3处接1管的发射极（E级） 同时为2管的集电极（C极） 同时为钳位二极管的负端
E、热循环疲劳
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。
知识回顾 Knowledge Review
放映结束 感谢各位的批评指导！
谢 谢！
让我们共同进步
损坏的原因一般有以下几种： 1、输出短路或输出接地； 2、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）
C、过热失效
故障点位于硅片中心附近,该区域发热严重。
IGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出
IGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出
典型过热损坏 IGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出
IGBT芯片表面有熔融的球状物并且底部有锡溢出
综述：IGBT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。
损坏的原因一般有以下几种： 1、瞬间通过极大电流导致瞬时结温过高； 2、散热不良，或者散热硅脂涂抹不到位； 3、器件本身空洞率过高
D、门极过电压
故障点位于栅氧化层, 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 现在硅片的任意地方。