IGBT失效分析

IGBT模块失效分析报告示例1—FF1200R17KE3_B2-超过安全工作区-email

数量经办人
1
王浩
来料 IGBT 模块型号为 FF1200R17KE3_B2 1 块。要求供货方对此模块进行检测。并给出检测报告。
说明：红色方框标示处为失效的芯片
图 1. FF1200R17KE3_B2 模块的电路图
图 2 模块的 IGBT 1 芯片烧毁,有源区表面有轻微的熔化痕迹
图 3. 模块的 IGBT 1 芯片烧毁,熔化点显微照片，箭头所指位置处黑点
纠正预防措施： 1. 为了提高安全性和产品可靠性，不用的 IGBT 要用负压确保关断，直接短接 GE 的办法在高压大电流的时候无法保证； 2. 驱动器 M57962 没有高级有源钳位功能， IGBT 模块短路时，在无法有效的保护 IGBT 模块，容易导致 IGBT 过压或超过安全工作区失效； 3. 在降压斩波电路中，电压变化率高，可考虑适当增大门极电阻的阻值，使 IGBT 模块更多的处于安全工作区； 4. 驱动器 M57962 的保护门槛电压过低，容易造成误保护，建议选在 10V 以上； 5. 门极保护二极管选用 18V 齐纳二极管； 6. 驱动器 M57962 延时在 1us 左右，不支持直接并联技术，如果并联使用会造成驱动信号不同步，模块电流不均，进而损坏 IGBT 模块。处理意见：
北京 xxx 有限责任公司
发文号：xx 第 10-05-17-1 号文件
所属部门电传-mail
内客户
容
IGBT 模块失效分析 xxxx 整流器有限责任公司 2010 年 x 月 xx 日
接收日期：
型号用户经办人检测内容：
FF1200R17KE3_B2
图 4 模块的 IGBT 1 芯片烧毁显微照片,有源区表面有圆形的熔化痕迹
检测结果及分析：

IGBT失效分析与应对

IGBT失效分析与应对IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种功率器件，常用于高压、大电流的应用中。

在使用过程中，可能会出现IGBT失效的情况，需要及时分析原因并采取应对措施。

1.过流：IGBT在工作时承受的电流超过了其额定值，会导致过热失效。

2.过压：过高的电压会导致IGBT击穿，发生瞬态过电流，进而导致失效。

3.温度过高：IGBT在工作时会产生热量，如果散热不良，导致温度过高，会加速器件老化，从而失效。

4.瞬态过电压：IGBT在开关状态切换时会产生瞬态过电压，如果保护措施不足，会导致器件失效。

应对IGBT失效的方法主要有以下几个方面：1.选用适当的IGBT：根据具体的应用场景要求，选择适合的IGBT，能够承受所需的电流和电压。

2.合理设计驱动电路：驱动电路的设计要合理，保证IGBT在开关状态切换时的瞬态过电压得到有效的抑制。

3.加强散热措施：采用散热片、风扇等散热装置，保证IGBT的工作温度不超过额定温度。

4.过电流保护：在电路中添加过电流保护装置，当电流超过预设值时，及时切断电路，保护IGBT不受过流损伤。

5.过压保护：在电路中添加过压保护装置，当电压超过预设值时，及时切断电路，保护IGBT不受过压损伤。

6.减少开关频率：降低IGBT的开关频率，减少器件的工作压力，延长器件的使用寿命。

7.充分测试和检测：在使用IGBT之前，应进行充分的测试和检测，保证器件品质合格。

8.定期维护与检查：定期对IGBT进行检查和维护，包括散热装置的清洁、连接端子的紧固等。

总之，IGBT是一种高性能功率器件，在使用中需要注意合理选择和设计，加强保护措施，定期进行维护和检查，以延长器件的使用寿命，确保系统的可靠性和稳定性。

IGBT的失效原理及失效时参数变化规律

IGBT 失效机理分析及参数变化1 过电压失效1．1栅极过压IGBT 的栅极-发射极驱动电压G E U 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/L d i d t ，威胁到IGBT 的安全如图1-1所示出了IGBT 的杂散电感和杂散电容。

IGBT 的外部电感L 主要是指IGBT 直流侧电感，可算得L 对加在IGBT 集射电压的影响为：C E S P d d i U L U d t =+IGBT 杂散电感和杂散电容的示意图其中d U 为直流电压电容，di/dt 为IGBT 的电流变化率。

杂散电感L 产生的电压叠加在d U 上，IGBT 内部是集成电路芯片，耐压能力非常有限，如L 产生的电压较大，超出IGBT 的集电极-发射极间耐压值C E S U ，产生的过电压能轻易地将IGBT 击穿。

图1-2为IGBT 的过电压波形示意图。

IGBT 过电压示意图形IGBT 在关断时，由于电路中存在电感，关断瞬间产生尖峰电压，假如电压超过额器件的最高的峰值电压，将可能造成IGBT 击穿。

2 静电损伤严格来说，器件静电损伤也属于过电压应力损伤，静电型过电应力的特点是：电压较高，能力较小，瞬间电流较大，但持续的时间极短，与一般的过电应力相比，静电型损伤经常发生在器件运输、传送、安装等非加电过程，它对器件的损伤过程是不知不觉的，危害性很大。

浅谈IGBT失效分析

浅谈 IGBT失效分析摘要：绝缘栅双极晶体管(IGBT)是由功率MOSFET和双极晶体管(BJT)复合而成的一种新型的电力半导体器件，它集两者的优点于一体，具有输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、速度快及工作频率高等特点，成为目前最有应用前景的电力半导体器件之一。

在轨道交通、航空航天、新能源、智能电网、智能家电这些朝阳产业中，IGBT作为自动控制和功率变换的关键核心部件，是必不可少的功率“核芯”。

采用IGBT进行功率变换，能够提高用电效率，提升用电质量，实现节能效果，在绿色经济中发挥着无可替代的作用。

关键词：IGBT；电力半导体；频率；功率本文研究大功率交流传动电力机车技术平台及大功率交流传动内燃机车技术平台，参考了国内外文献，通过对试验和应用数据的搜集、统计、整理，发现了一些典型的IGBT模块失效案例，并对其进行了失效特征分析，具体如下：1 过压失效1.1集-射极过压失效失效位置发生在有源区的边缘处，如图1(a)所示。

可见，芯片表面靠近内侧保护环处有小面积轻微烧损。

发生失效的条件：一是芯片击穿电压不满足要求，或者芯片的击穿电压发生退化;二是IGBT工作时发生异常，导致芯片承受的电压超过其可以承受的额定击穿电压。

1.2栅-射极过压失效失效位置发生在栅极与发射极隔离区，如图1(b)所示。

失效特征表现为芯片表面栅极与发射极隔离区上有熔点。

发生失效的条件：一是芯片栅极氧化层质量差，耐压不满足要求，或者芯片的栅极氧化层耐压发生退化;二是工况导致栅极过电压或电路产生栅极震荡。

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。

IGBT的失效原理及失效时参数变化规律

IGBT 失效机理分析及参数变化1 过电压失效1．1栅极过压IGBT 的栅极-发射极驱动电压G E U 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/L d i d t ，威胁到IGBT 的安全如图1-1所示出了IGBT 的杂散电感和杂散电容。

IGBT 的外部电感L 主要是指IGBT 直流侧电感，可算得L 对加在IGBT 集射电压的影响为：C E S P d d i U L U d t =+IGBT 杂散电感和杂散电容的示意图其中d U 为直流电压电容，di/dt 为IGBT 的电流变化率。

杂散电感L 产生的电压叠加在d U 上，IGBT 内部是集成电路芯片，耐压能力非常有限，如L 产生的电压较大，超出IGBT 的集电极-发射极间耐压值C E S U ，产生的过电压能轻易地将IGBT 击穿。

图1-2为IGBT 的过电压波形示意图。

IGBT 过电压示意图形IGBT 在关断时，由于电路中存在电感，关断瞬间产生尖峰电压，假如电压超过额器件的最高的峰值电压，将可能造成IGBT 击穿。

2 静电损伤严格来说，器件静电损伤也属于过电压应力损伤，静电型过电应力的特点是：电压较高，能力较小，瞬间电流较大，但持续的时间极短，与一般的过电应力相比，静电型损伤经常发生在器件运输、传送、安装等非加电过程，它对器件的损伤过程是不知不觉的，危害性很大。

功率半导体IGBT失效分析与可靠性

功率半导体IGBT失效分析与可靠性摘要：目前，IGBT是绿色经济领域的核心技术之一，应用于航空航天、新能源、轨道交通、工业变频、智能电网等领域。

作为自动控制和功率转换的关键核心部件，IGBT是不可或缺的功率核心。

利用IGBT进行电能转换，可以提高电能效率和质量，达到30%~40%的节能效果。

即使用IGBT技术改造传统设备，平均节电率仍可提高20%。

此外，IGBT也是实现能源转换的关键部件，光伏发电、风力发电、太阳能发电等新能源都需要使用IGBT产品向电网输送电能。

关键词：主动式PFC升压电路；IGBT；SOA；闩锁效应；ESD；结合大量失效品分析与电路设计分析，对IGBT失效原因及失效机理分析，分析结果表明：经过对IGBT失效分析及IGBT工作电路失效分析及整机相关波形检测、热设计分析、IGBT极限参数检测对比发现IGBT失效由多种原因导致，IGBT在器件选型、器件可靠性、闩锁效应、驱动控制、ESD能力等方面存在不足，逐一分析论证后从IGBT本身及电路设计方面全部提升IGBT工作可靠性。

一、分析及生效机理1.失效器件无损检测分析。

（1）X-ray透射分析。

失效IGBT表面无损伤，万用表测试1、2、3脚互相短路，X光透射内部IGBT芯片金线焊接等无异常，芯片表面有烧毁点，分析内部过电损伤导致失效。

（2）开封解析。

对主板失效IGBT进行开封解析，内部芯片表面有击穿烧痕迹，IGBT失效均为有源区（active area）受到高能量损坏，分析主要为过电击穿失效。

IGBT等效电路如图1所示。

图1 IGBT结构描述（3）失效IGBT应用电路。

如图2，红框部分为PFC电路整流滤波部分，C401电容具有滤波和抑制EMI作用，PFC主电路部分由PFC电感L3、IGBT及快恢复二极管D901组成。

当IGBT闭合时电感L3充能，IGBT断开时电感L3释放电能。

IGBT应用电路结构图如图2所示。

图2 IGBT应用电路二、失效原因及失效机理分析经过对失效IGBT器件ESD能力检测、极限参数测试分析（极限耐压、SOA安全工作区、开关损耗、）、应用环境、驱动电路设计、整机工作波形分析、热设计分析发现其存在众多不足，总结归纳如下。

IGBT失效分析IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种重要的功率半导体器件，具有高性能和高集成度的特点，并广泛应用在电力电子设备中。

然而，由于IGBT长期工作在高温、高电压、高电流的环境下，容易出现失效的情况。

本文将对IGBT失效进行分析，重点从热失效、电压失效和电流失效三个方面进行论述。

首先，热失效是IGBT常见的失效形式之一、由于IGBT在工作过程中会产生大量的热量，如果散热不良或者长时间高温工作，会导致IGBT内部温度过高，从而造成失效。

常见的热失效原因包括过大的功率损耗、散热不良以及热应力等。

功率损耗过大会导致IGBT内部温度升高，从而热失效。

散热不良是指IGBT无法将产生的热量迅速散发出去，造成内部温度过高。

热应力则是指IGBT长时间在高温环境下工作，导致器件老化，最终失效。

其次，电压失效是指IGBT承受电压超过其额定值而失效的情况。

IGBT的电压承受能力受到其结构设计和材料特性的限制，如果工作电压超过了其额定值，会导致击穿、损伤甚至烧毁。

常见的电压失效原因包括过高的工作电压、过高的尖顶电压以及过高的幅值电压等。

过高的工作电压意味着IGBT需要承受更高的电场强度，容易导致击穿。

过高的尖顶电压和幅值电压则是指在电压波形上出现过高的尖顶值或幅值，会导致电压应力集中，容易造成失效。

最后，电流失效是指IGBT承受电流超过其额定值而失效的情况。

IGBT的电流承受能力受到其电流密度和结构设计的限制，如果工作电流超过了其额定值，会导致过载、击穿甚至烧毁。

常见的电流失效原因包括过高的工作电流、过高的尖顶电流以及过高的幅值电流等。

过高的工作电流意味着IGBT需要承受更高的电流密度，容易导致击穿。

过高的尖顶电流和幅值电流则是指在电流波形上出现过高的尖顶值或幅值，会导致电流应力集中，容易造成失效。

综上所述，IGBT的失效主要包括热失效、电压失效和电流失效。

热失效是由于功率损耗过大、散热不良或者长时间高温工作而导致的，电压失效是由于工作电压超过额定值而导致的，电流失效是由于工作电流超过额定值而导致的。

IGBT典型失效现象及分析

IGBT典型失效现象及分析IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）即绝缘栅双极晶体管，是一种半导体开关装置。

它集成了场效应晶体管（FET）和双极晶体管（BJT）的优点，具有高开关速度、低导通压降和大功率承载能力等特点。

但是，IGBT在使用过程中也会出现一些典型的失效现象。

本文将详细介绍IGBT的典型失效现象及分析。

1.IGBT芯片损坏：IGBT芯片是IGBT模块的核心部件，常见的损坏形式有击穿和烧坏。

击穿通常是由于环境条件恶劣导致芯片绝缘能力下降，或是过高的共模电压和斜率放大有可能导致芯片击穿。

烧坏通常是由于过大的电流或过高的温度造成芯片热量集中，导致芯片局部失效。

2.封装失效：封装是保护和固定芯片的重要部分，常见的失效形式有焊接开裂、引脚断裂等。

焊接开裂通常是由于温度和热应力引起的，过高的温度或瞬态电压冲击都有可能导致焊接开裂。

引脚断裂常常是由于负载过重、振动等原因导致。

3.热失效：IGBT在高功率运行时会产生大量热量，如果散热不良，就会导致热失效。

热失效表现为温度升高，甚至超过允许温度范围，进而导致各种失效。

常见的热失效有端子击穿、胶粘剂老化等。

4.结电流失效：IGBT的结电流是指在截止状态下，由于材料的不完美和杂质的存在，会存在一定的导电通道。

常见的结电流失效有漏电流增大、反向击穿等。

漏电流增大通常是由于材料质量问题、过高的温度或封装故障导致。

反向击穿通常是由于过高的反向电压导致。

5.门电流失效：IGBT的门电流是指在关断状态下，由于材料的不完美和杂质的存在，会存在一定的导电通道。

常见的门电流失效有漏电流增大、误触发等。

漏电流增大通常是由于材料质量问题、过高的温度或封装故障导致。

误触发通常是由于电磁干扰、环境污染等原因导致。

以上是IGBT的典型失效现象及分析。

在使用IGBT时，需要注意环境条件，保证散热良好，避免过高的电压和电流等因素对IGBT造成损坏。

IGBT典型失效现象及分析

IGBT典型失效现象及分析来源：作者：时间：2008-11-01 Tag：IGBT点击： 6IGBT典型失效现象及分析1、温度上升对IGBT参数的影响温度上升包含两个意思：一是IGBT中的电磁场能量转化为热能，主要由于器件中的电阻热效应；一是器件发热与外部冷却之间的相互作用，发生的热量如果不能及时散发出去，即散发能力不够，则使温度上升。

温度上升，IGBT中的两个晶体管的放大系数α1和α2均增大，该两个晶体管构成一个寄生晶闸管。

借助于IGBT等效电路图（图3），开通过程为：当给栅极加压Vg，产生Ig，则MOSFET开通，产生I1，I1为PNP的基极电流，开通PNP，产生I2，I2为NPN提供基极电流，产生I3，使整个IGBT全面开通。

I1、I2和I3构成IGBT开通后的全部电流，其中I2为主要部分。

当温度上升，α1和α2上升，使α1＋α2→1，将使寄生晶闸管出现“闭锁效应”，而使IGBT一直导通，即使Vg去掉，I1=0,由于该闭锁效应，PNPN导通，开关失效。

因此，温度上升，增加，使得重复开断的通态电流下降。

图4为SKM600GB126D 型IGBT的通态电流IC随温度变化的曲线【5】。

从图中可以看到，随温度升高，电流下降，且在800C之后，电流下降非常迅速。

图4 IGBT（SKM600GB126D）温度－电流曲线（略）在一台实际的160kW三电平变频器中，温升试验中发生的IGBT失效现象说明该问题：该变频器所选的IGBT型号为SKM600GB126D，工频下重复可关断电流为600A。

该变频器起动后，带满载运行，额定电流为315A。

起动稳定后的50分钟运行一切正常，随着运行时间的增加，IGBT壳温从300C上升到1200C，装置发生过流保护。

分析其原因：当IGBT壳温达到1200C以后，最大重复可关断电流值发生变化（约为250A），驱动开关发生失效，直流母排中点电压平衡破坏，造成直通过流，器件保护。

IGBT失效原因分析

IGBT失效原因分析IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种高性能功率半导体器件，常用于大功率电子设备中，例如变频器、电动机驱动器等。

IGBT的失效主要有以下几个原因：1.过电流失效：过电流是指IGBT流经的电流超过其额定电流，造成IGBT的损坏。

过电流可能是由于电路设计不合理、电路故障、负载过重等原因引起的。

当过电流发生时，IGBT内部的PN结上会产生高电场，导致局部热失控或击穿，从而引起IGBT失效。

2.过电压失效：过电压是指IGBT承受的电压超过其额定电压，导致IGBT的击穿和损坏。

过电压可能是由于电路中的电压尖峰、噪声等突然变化引起的。

当过电压发生时，IGBT内部的绝缘层可能被击穿，从而导致电流过大，内部元件受到损伤。

3.温度失效：IGBT在工作时会产生热量，如果无法有效散热，温度会升高，从而导致IGBT失效。

温度失效可能是由于设备设计不良、散热系统不完善、环境温度过高等原因引起的。

当IGBT的温度超过其额定温度时，内部材料的热膨胀会导致应力集中或介质损坏，进而引起失效。

4.ESD（静电放电）失效：ESD是指静电在元器件之间放电，引起瞬态过电压，从而对IGBT产生电磁激励。

ESD失效可能是由于静电积累、操作不当等原因引起的。

当ESD电流通过IGBT时，其高电场会导致绝缘击穿或局部热失控，从而引起IGBT的失效。

5.动态电压失效：动态电压失效是指在IGBT的交流开关过程中，由于结构不合理或电磁干扰等原因，造成电压过快增长或振荡幅度过大，导致IGBT失效。

动态电压失效可能是由于电路谐振、电网突变、电容放电等原因引起的。

当动态电压超过IGBT的承受能力时，其PN结的电场分布会失控，从而引起击穿。

为了降低IGBT失效的可能性，可以采取以下措施：1.优化电路设计，确保IGBT的工作条件在额定范围内，避免过电流、过电压等异常情况的发生。

2.加强散热设计，保证IGBT能够有效散热并控制温度在安全范围内。

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完善失效资料填写反馈信息表FAR Form 和客户沟通，对Infineon测试提出要求
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3. 失效分析统计
3.1按照损坏领域区分
变频器客户占公司客户的大多数，出货量很大；因此，相对处理的失效分析数量较多。
建议客户了解浪涌电流的大小，选择合适的二极管。
4. IGBT常见失效现象
4.5 IGBT超出反偏安全工作区
1. RBSOA-Reverse Biased Safe Operation Area, 反偏安全工作区域
2. IGBT在持续运行中，IGBT 允许的关断电流≤2*Ic,nom
3. 持续开关在电流> 2*Ic,nom 可能会导致IGBT失效
正面看到的是很深的烧熔的洞，侧面可以看到贯穿芯片的洞。
序号
损坏可能的原因
1 CE间过压
2 IGBT过流
建议的方法见4.1的推荐见4.3的推荐
4. IGBT常见失效现象
4.6 IGBT过温
所有的bonding线都被烧熔，大面积的铝层熔化，同时呈现出典型的熔化冷却的熔珠。
底部的焊锡熔化溢出
4. IGBT常见失效现象
去除塑料外壳
去除硅胶，去除绝缘钝化层
光学显微镜检测
分析、总结失效机理，确定失效的根本原因
液晶热点检测：破坏性检测
2. 失效分析的主要方法及流程
2.2 安富利在失效分析中处的位置
1.分析客户反馈的信息
了解IGBT现场失效情况，测试IGBT ，核实故障信息，给出合理建议。如果可以解决，就不做FAR

IGBT 失效分析

失效分析的分析方法与分析流程 FAILURE ANALYSIS-Step By Step For IGBT
失效分析的分析方法与分析流程 FAILURE ANALYSIS-Step By Step For IGBT • 8.光学显微镜检测 Optical Microscope
Item
1
2 3 4 5 6 7 8
失效分析的分析方法与分析流程 FAILURE ANALYSIS-Step By Step For IGBT
分析方法与分析流程注解Remarks
分析客户反馈的信息 Customer Information
外观检查 Visual Inspection 电性能分析 ELECTRICAL VERIFICATION
失效分析的分析方法与分析流程 FAILURE ANALYSIS-Step By Step For IGBT • 5.超声波显微镜检测 Ultrasonic Microscope
无损检测 Nondestructive 检测焊层的分层，衬底裂痕 Chip soldering delamination, substrate crack
无损检测 Nondestructive
无损检测 Nondestructive 破坏性检测 Destructive 破坏性检测 Destructive 无损检测 Nondestructive
9
10 11
破坏性检测 Destructive
失效分析的分析方法与分析流程 FAILURE ANALYSIS-Step By Step For IGBT
• 1.分析客户反馈的信息 Customer Information 反馈信息表 FAR Form IGBT应用的条件客户观测的故障信息是否已知故障

IGBT模块应用中失效原因分析

IGBT模块应用中失效原因分析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。

IGBT模块与使用有关的失效十分突出，它占全部失效 IGBT模块的绝大部分；进口IGBT模块与国产IGBT模块相比，IGBT模块固有缺陷引起 IGBT模块失效的比例明显较低，说明进口IGBT模块工艺控制较好，固有可靠性水平较高。

1.与使用有关的失效与使用有关的失效原因主要有过电应力损伤、静电损伤、器件选型不当，使用线路设计不当，机械过应力、操作失误等。

（1)过电应力损伤。

过电应力引起的烧毁失效占使用中失效IGBT 模块的绝大部分，它发生在IGBT模块测试、筛选、电装、调试、运行等各个阶段，其具体原因多种多样，常见的有多余物引起的桥接短路、地线、电源系统产生的电浪涌，烙铁漏电，仪器或测试台接地不当产生的感应浪涌等。

按电应力的类型区分，有金属桥接短路后形成的持续大电流型电应力，还有线圈反冲电动势产生的瞬间大电流型电应力以及漏电、感应等引起的高压小电流电应力；按器件的损伤机理区分，有外来过电应力直接造成的PN结、金属化烧毁失效，还有外来过电应力损伤PN结或触发CMOS 电路闩锁后，引起电源电流增大而造成的烧毁失效。

（2)静电损伤。

严格来说，IGBT模块静电损伤也属于电过应力损伤，但是由于静电型电过应力的特殊性，以及IGBT模块的广泛使用，使得该问题日渐突出。

静电型电过应力的特点是：电压较高（几百伏至几万伏），能量较小，瞬间电流较大，但持续时间极短。

与一般的电过应力相比，静电型损伤经常发生在IGBT模块运输、传送、电装等非加电过程中，它对IGBT模块的损伤过程是不知不觉的，危害性很大。

IGBT失效机理分析

IGBT及其子器件的几种失效模式摘要：本文通过案例和实验，概述了四种IGBT及其子器件的失效模式：MOS栅击穿、IGBT-MOS阈值电压漂移、IGBT有限次连续短路脉冲冲击的积累损伤和静电保护用高压npn管的硅熔融。

关键词：栅击穿阈值电压漂移积累损伤硅熔融1、引言IGBT及其派生器件，例如：IGCT，是MOS和双极集成的混合型半导体功率器件。

因此，IGBT的失效模式，既有其子器件MOS和双极的特有失效模式，还有混合型特有的失效模式。

MOS是静电极敏感器件，因此，IGBT也是静电极敏感型器件，其子器件还应包括静电放电（SED）防护器件。

据报道，失效的半导体器件中，由静电放电及相关原因引起的失效，占很大的比例。

例如：汽车行业由于失效而要求退货的器件中，其中由静电放电引起的失效就占约30%。

本文通过案例和实验，概述IGBT及其子器件的四种失效模式：（1） MOS栅击穿；（2） IGBT——MOS阈值电压漂移；（3） IGBT寿命期内有限次连续短路脉冲冲击的累积损伤；（4）静电放电保护用高压npn管的硅熔融。

2、 MOS栅击穿IGBT器件的剖面和等效电路见图1。

由图1可见，IGBT是由一个MOS和一个npnp四层结构集成的器件。

而MOS是金属—氧化物—半导体场效应管的简称。

其中，氧化物通常是硅衬底上氧化而天生的SIO2，有时还迭加其他的氧化物层，例如Si3N4，Al2O3。

通常设计这层SiO2的厚度ts：微电子系统：ts<1000A电力电子系统：ts≥1000A。

SiO2，介质的击穿电压是1×1019V/m。

那么，MOS栅极的击穿电压是100V左右。

人体产生的静电强度U：湿度：10-20%，U＞18000V；60-90%时，U≥1500V。

上述数据表明，不附加静电保护的MOS管和MOS集成电路（IC），只要带静电的人体接触它，MOS的尽缘栅就一定被击穿。

案例：上世纪六十年代后期，某研究所研制的MOS管和MOS集成电路。

IGBT损坏原因分析

NO.
导致IGBT不良炸板的因素
破坏原理
1
IGBT过热损坏（温升过高或散热不好）
大电流产生的功耗将引起温升，由于IGBT的热容量小，其温度迅速上升，若IGBT温度超过硅本征温度，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。实际应用时，一般最高允许的工作温度为125℃左右。
2
15V驱动电压不稳定,IGBT驱动波形不正常
1）驱动电压偏低，容易使IGBT管进入放大状态，IGBT管的功耗大幅增加，超出规格范围，IGBT管将迅速烧毁。 2）驱动电压过高，导致驱动电路其他模块异常，进而影响IGBT工作导致失效 3)驱动方波杂讯多，会导致IGBT工作可靠性差，长时间会损坏
3
浪涌电压，电流，电网电压异常波动，用户插头打火等外界异常高压
变频器的输出电流大，也会延长IGBT管的关断时间，导致直通 3、变频板硬件差异性。
6
负压测试
IGBT在开通和关断瞬间，COM和GND之间会产生负压，电流越大，负压越高，当负压超过IR21035的耐受极限，IR21035会被击穿，硬件保护延迟如果太长，则负载出现异常时，IGBT会被瞬间击穿
1）过电压造成集电极发射极击穿 2）过电压造成栅极发射极击穿
4
导通与关断产生的尖峰电压VCE
由于压缩机是感性负载，在开关过程中会产生尖峰电压，如果尖峰电压过高也会造成器件损坏。这时损坏往往为内置二极管被击穿
5
死区时间（海信软件设定为1us）
软件定后影响死区时间的主要因素有：
1、环境温度。环境温度高，将延长IGBT管的判断时间，使同一桥臂的上、下两管在交替导通过程中的死区变窄，甚至导致直通。 2、变频器的输出电流过大。
8
堵转可能
压缩机堵转主要是压缩机的一种不良现象，由于系统脏或结冰等发生堵转时，堵转电流慢慢增大，放热。无形中相当于给变频板增加的很大的负载有使IGBT过温发热失效或过流导致失效的可能

IGBT失效原因分析

IGBT失效原因分析引起IGBT失效的原因有：1）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[1]。

实际运行时，一般最高允许的工作温度为130℃左右。

2)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R s，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R s，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[2]。

3)瞬态过电流IGBT在运行过程中所承受的大幅值过电流除短路、直通等故障外，还有续流二极管的反向恢复电流、缓冲电容器的放电电流及噪声干扰造成的尖峰电流。

这种瞬态过电流虽然持续时间较短，但如果不采取措施，将增加IGBT的负担，也可能会导致IGBT失效。

4）过电压造成集电极发射极击穿。

5）过电压造成栅极发射极击穿。

整流拉逆变式组合保护方案IGBT保护方法当过流情况出现时，IGBT必须维持在短路安全工作区（SCSOA）内。

IGBT承受短路的时间与电源电压、栅极驱动电压以及结温有密切关系。

常见IGBT模块失效情况的分类

常见IGBT模块失效情况的分类IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）模块是一种广泛应用于电力变换器中的高压、高电流功率开关装置。

它由一对PN结二极管和一个MOSFET晶体管组成，通过控制MOSFET的开关来实现功率的调节。

然而，由于IGBT模块长时间工作在高电流、高温等恶劣条件下，容易出现失效现象。

本文将对常见的IGBT模块失效情况进行分类介绍。

第一类：瞬时过电压引起的失效IGBT模块在工作过程中，可能会受到来自其他电源或外部故障引起的瞬时过电压，这会导致IGBT模块失效。

常见的瞬时过电压包括浪涌电流、雷击、绝缘击穿等。

这些过电压会瞬间增大IGBT模块的电压应力，导致击穿或损坏。

第二类：电流过大引起的失效IGBT模块在工作中承受的电流通常较大，但是如果电流超出了模块规定的额定值，就会导致IGBT模块失效。

较大的电流会产生较大的热量，导致模块温度升高，从而降低IGBT的导通能力和击穿电压，进而引起模块失效。

此外，过大的电流还会引起焊点破裂、金属膨胀等问题，导致模块故障。

第三类：过温引起的失效IGBT模块通常工作在高温环境中，如果模块温度超过额定温度，则会导致模块失效。

过高的温度会导致IGBT电压击穿性能下降，漏电流增大，从而形成绝缘击穿和局部烧毁。

此外，模块温度过高还会影响焊点、电介质和封装材料的性能，加速故障的发生。

第四类：电磁干扰引起的失效在电力变换器的应用中，会产生大量高频的电磁干扰。

这些干扰会直接或间接地影响IGBT模块的工作，导致其失效。

常见的电磁干扰包括电感耦合、静电放电、电磁辐射等。

电磁干扰会使IGBT模块的输入电压、电流发生变化，导致模块无法正常工作，甚至引起击穿、损坏等故障。

第五类：过失触发引起的失效IGBT模块需要通过驱动电路来进行触发，如果触发信号不恰当、失效或延时，则会引起IGBT模块的故障。

常见的失误触发包括过小的触发电压、过长的触发脉冲、失误的触发脉冲等。

IGBT失效原因

西门子的SimoDrive功率模块失效分析摘要：本文通过对已损坏的西门子IGBT的研究，详细的分析了西门子IGBT损坏的原因，有IGBT制造过程中工艺问题，也有外围驱动设计不严密的问题。

西门子公司数控系统各挡CNC 中都使用SimoDrive611 变频系统。

SimoDrive611 是西门子各档数控系统中最重要的组成部分，而饲服功率模块和电源模块是SimoDrive611 中的重要部分，但它故障率高、容易损坏，可靠性不如系统中其他部分好。

本文主要针对西门子功率模块失效损坏进行分析。

我们通过对6SN1123-1AA00-0CA1 单轴50A、6SN1123-1AA00-0DA1 单轴80A、6SN1123-1AA00-0EA1 单轴160A 以及6SN1145-1BA0-0BA0 16/21KW 电源模块失效进行分析。

它们共同之处是都使用大功率IGBT 作为输出，而且IGBT 的驱动电路也基本相同。

随着电力电子的快速发展，饲服功率输出部分广泛采用IGBT 晶体管取代GTR 等。

因为IGBT 驱动电路相对简单，几乎可以用TTL 逻辑电路直接驱动，这是它的优点；而它的缺点也很明显，那就是IGBT 晶体管存在所谓擎住效应，正常使用不存在此效应，但使用不当，一旦因过流触发此效应，IGBT 晶体管便为常通，根本不受栅射控制电压控制关断IGBT，直到烧坏。

1 IGBT 失效损坏原因在饲服驱动中，IGBT 总是受感性电机负载的冲击，短时过载等触发的擎住效应是失效损坏的根本原因。

另外IGBT 驱动电路设计的不够严密，使用不合理等，都可能导致IGBT 永久的损坏。

下面进行详细分析。

1．1 过流触发擎住效应导致IGBT 损坏IGBT有一定瞬时抗过流能力，外部控制逻辑也能提供一定保护。

最主要的是IGBT驱动电路保护措施的设计一定要严密。

由于IGBT半导工艺结构上存在一个寄生晶体管，也就是寄存可控硅。

IGBT的理想等效电路如图1所示。