IGBT的芯片结构及其失效模式分析[优质PPT]
IGBT的内部结构及故障判断
IGB正 率模块的几种电路结构在所有的变频器及交流伺服驱动器中，内部 电路无非是 相(或单相)整流桥为 相i其bt逆变桥。
依据这种电路结构，针对 同的 率等级，可以有很多种模块选择方式，以 予以分述。
(1) pim结构这是一种小 率变频器 要采用的结构，结构特点是 相整流桥，制动单元，温度检测， 相i其bt逆变桥全部集成在一个模块 ，以富士半导体 的7mbr25 sa120 例，图1 模块内部电路结构，7个驱动单元采用 耦隔离驱动。
图1 模块内部电路结构(2) 或七单元i其bt结构这种模块 要用于中小 率变频器，结构特点是 相整流桥，制动单元 外置模块，i其bt模块 或七单元i其bt结构。
以富士半导体 的6mbi75ua-120 例，图2 模块内部电路结构，6个驱动单元采用 耦隔离驱动。
图2 模块内部电路结构(3) 一或二单元i其bt结构这种模块 要用于中大 率变频器，结构特点是 相整流桥，制动单元 外置模块，i其bt模块 一或二单元i其bt结构，变频器采用 或 个i其bt模块组成 相逆变桥。
以富士半导体 的6mbi75ua-120 例，图3 模块内部电路结构，2个驱动单元采用 耦隔离驱动。
图3 6mbi75ua-120模块内部电路结构(4) ipm结构这种模块 要用于中小 率变频器，结构特点是驱动单元内置，模块内部电路可以是以 的任何一种电路结构。
以富士半导体 的6mbp100ra-060 例，图4 模块内部电路结构，6个驱动单元内置，但需提供独立的驱动电源。
图4 6mbp100ra-060模块内部电路结构IGB正 率模块故障判断方法针对以 同的i其bt模块结构，故障判断测试可以简化 单个i其bt单元测试和单个ipm单元测试， 体如 光(1) i其bt的 要测试参数vces 其主，s短路，i其bt的反向 穿电压;cies i其bt的其主，s间电容;frd i其bt的反并联二极管;i其bt的控制导通 截 特性。
IGBT的芯片结构及其失效模式分析
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。 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、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。
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。
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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
IGBT基本原理ppt课件
因强制换流关断使控制电路非常复杂, 限制了它的应用。
GTO、 GTR
它们都是自关断器件,开关速度比 SCR 高, 控制电路也得到了简化。 目前的 GTO 和 GTR 的水平分别达 到了 6000V /6000A、1000V / 400A。 但是, GTO 的开关速度还是较低,GTR 存在二次击穿和不易并 联问题。 另外, 它们共同存在驱动电流大、功耗损失大的问题。
;.
3
1.IGBT定义
IGBT，绝缘栅双极晶体管(Insolated Gat Bipolar Transistor,IGBT)，它是由BJT（双极性三极管）和
MOSFET（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。
电力半导体器分类 不可控器件:不能用控制信号来控制其通断,因此不需要驱动电路,此类器件只有整流作用,包括普通功
绝缘栅型场效应管（IGFET）：栅极-源极，栅极-漏极之间采用SiO2绝缘层隔离，因此而得名。又因栅极为金属 铝，所以又称为金属氧化物半导体场效应管，也就是MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）
;.
5
1.IGBT 简化等效电路
制 换 流 关 断 控 制 电 路 简 抗高、控制功
使 控 制 电 路 化 。 但 它 们 率小、驱动电
非常复杂
共 同 存 在 驱 路简单 ， 但是
动电流大、 导通电阻大，
功耗损失
不耐高压
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历史产品比较 产品
特点
SCR
功率容量大, 目前的水平已达到7000V / 8000A。但缺点是开关速度低, 关断不可控、
率二极管、快恢复二极管和、肖特基二极管。 半控型器件:控制导通不能控制关断。它包括普通晶闸管及其派生的特殊器件,如逆导晶闸管等。 全控型器件:控制其导通、关断,又称为自关断器件。例：双极型功率晶体管、功率场效应晶体管、
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。
IGBT的失效
电子流
七、动态寄生晶闸管闩锁
关断过程中闩锁
E
G
N PN 空穴
耗尽层 电子
PN N-
N P
C
N P
C
第二部分： 开关过程中IGBT的失效现象
一、箝位感性负载（CIL)硬开关中 IGBT的失效
二、无箝位感性负载(UIS)硬开关中 IGBT的失效
三、负载短路(SC)硬开关中 IGBT的失效
CIL
UIS
冲的
100
101 102 103
脉宽 100µs 150µs 1ms 10ms DC
Vce(V)
反偏(关断)安全工作区(RBSOA)
通态压降限制 Ipulse
最大电流限制
动态雪崩击 穿限制
安全关断轨迹
Ic 不安全关断轨迹
SSCM模式
RBSOA
静态雪崩 击穿限制
0
Vce
不能只看静态判断是否安全，要看下降过 程的电流、电压的动态轨迹是否越出SOA!
二、 针对用途选择IGBT
对同一代技术，低频、高频、短路等坚固 性不能兼顾，要针对用途选器件
IGBT1 低通态电压
低频坚固(高频和短路不坚固)
IGBT1 IGBT2
IGBT3 IGBT4
VCEsat (V)
IC / Irating
IGBT2 寿命控制 降低了开关损耗 高频坚固(低频和短路不坚固)
IGBT3,4 减小沟道宽/长比 ,减小了饱和区电流 降低了关断电压过冲和关断功耗 短路坚固(低频不坚固，高频欠坚固)
动态晶闸管闩锁vggrgvcc寄生电感寄生晶闸管闩锁是导致失效的一个主要威胁贯穿在开关各个阶段动态失效是开关过渡过程中的重大威胁要引起足够警惕抗短路失效减小p基区横向电阻降低npn管发射极效率早期结构加入p区沟槽发射极接触路程短电阻小降低源区浓度小不易闩锁掺杂高电阻小使雪崩击穿电流线是自熄灭的1选用透明集电极igbt结构动态击穿电流线具有正微分电阻nptigbtfsigbt等等abb开关自箝位工作模式sscmabb器件设计精细n区搀杂高低适当pnp大小适当1减小igbt中mosfet管的沟道宽长比12008001000800600400200400100减小沟道能显著减小短路电流pin二极管决定mosfet决定2加大元胞中多晶硅宽度降低局部电流密度降低局部温度空穴流电子流局部热点材料工艺封装在局部低击穿电压处形成高压雪崩电流线烧毁45ebr防止ptigbt局部过热烧毁镇流电阻的作用
IGBT驱动技术概述PPT课件
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1
内容简介
1. IGBT驱动 2. 国内外典型IGBT驱动器概述 3. 所内IGBT驱动现状及发展计划
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2
1 IGBT的驱动
1.1 IGBT驱动的概念与意义 1.2 绝缘栅双极晶体管(IGBT) 1.3 IGBT驱动电路基本要素 1.4 IGBT驱动设计中需考虑的一些问题
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1.2.3 IGBT的擎住效应安与全 工作区
1) IGBT的擎住效应
当 IC 大到一定程度， 或关断的动态过程
中dVCE ／ dt 过高， 使 V2 开通，进而
使 V2 和 V3 处于饱
和状态，栅极失去 控制作用
具有寄生晶闸管IGBT等效 电路
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1.2.3 IGBT的擎住效应安与全 工作区
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2.4 CONCEPT公司IGD515
主要特点：
– 带有电源隔离电路, 外接电路简单
– 输出电压将近±15V – 输出电流峰值±15A – 开关频率可达MHz – 光纤传送抗干扰能力
强 适用于驱动IGBT元件
或大功率MOSFET
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2.4 CONCEPT公司IGD515
IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个 大面积的P+N结J1 使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而 对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的 通流能力
– 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET 组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的 厚基区PNP晶体管
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IGBT器件培训课件
并联使用情况（尤其整流 应用）下，尽量选用具有 正温度系数（或者在使用 电流范围具有正温度系数） 的反并二极管的IGBT模块， 以获得更好的均流效果。 如Encom二极管、HD CAL二 极管等；
PPT学习交流
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四、IGBT选用
5、散热考虑
（1）功率模块内部热阻分布
不推荐使用不同厂家的产品并联使用，这样可以基本排除交流 参数对均流的不良影响。
PPT学习交流
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四、IGBT选用
（2）典型电路推荐（具体细节可参阅相关资料）：
栅电阻分离
Re限制发射 极回路环流 且阻尼振荡
100V1A肖特 基二极管： 平衡短路条 件下的发射 极压降
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四、IGBT选用
8、结电容
极间电容包含两类： 一类为Cge和Cgc，决 定于栅极的几何形状 和SiO2绝缘层的厚度； 另一类为Cce，取决 于沟道面积和有关PN 结的反偏程度。
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三、IGBT主要电气参数和特性
9、閾值电压Vge(th)和栅电荷Qg
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三、IGBT主要电气参数和特性
10、反并联二极管参数
PPT学习交流
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一、IGBT概述
4、IGBT主要应用范围
PPT学习交流
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二、IGBT分类
1、按电压等级划分 300，600，900，1200，1700，3300，6500V，等
PPT学习交流
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二、IGBT分类
2、按芯片技术划分
PT NPT
工艺
异质外延 ＋ 扩散
同质扩散＋ 离子注入
穿通击穿电压 器件成本 饱和压降 工作频率
电力电子半导体器件(IGBT) ppt课件
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ppt课件
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三、常用PWM控制芯片：
TL494，SG3524，SG1525，MC3520，MC34060， VC1840，SL-64等。
四、IGBT专用驱动模块：
大多数IGBT生产厂家为了解决IGBT的可靠性问题，都 生产与其相配套的混合集成驱动电路，如日本富士的EXB系 列、日本东芝的TK系列，美国库托罗拉的MPD系列等。这 些专用驱动电路抗干扰能力强，集成化程度高，速度快，保 护功能完善，可实现IGBT的最优驱动。
ppt课件
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4．开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数的关系：
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5．开关损耗与温度和漏极电流关系
ppt课件
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（三）擎住效应
IGBT的锁定现象又称擎住效应。IGBT复合器件内有一个 寄生晶闸管存在，它由PNP利NPN两个晶体管组成。在NPN晶 体管的基极与发射极之间并有一个体区电阻Rbr，在该电阻上， P型体区的横向空穴流会产生一定压降。对J3结来说相当于加 一个正偏置电压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏压不大， NPN晶体管不起作用。当漏极电流人到—定程度时，这个正偏 量电压足以使NPN晶体管导通，进而使寄生晶闸管开通、门极 失去控制作用、这就是所谓的擎住效应。IGBT发生擎住效应后。 漏极电流增大造成过高的功耗，最后导致器件损坏。 漏极通态电流的连续值超过临界值IDM时产生的擎住效应称 为静态擎住现象。 IGBT在关断的过程中会产生动态的擎住效应。动态擎住 所允许的漏极电流比静态擎住时还要小，因此，制造厂家所规 定的IDM值是按动态擎住所允许的最大漏极电流而确定的。 15 ppt课件
②对称型IGBT：无缓冲区N+，非穿通型IGBT；
IGBT ppt课件
TO-3P
TO-3PFM
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（2）模块：
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(3) 功率集成
IPM（ Intelligent Power Module ）
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IGBT的生产厂家： IGBT模块，主要有以下几个厂家：
欧美的有：IR，EUPEC，DYNEX，ABB，SEMIKRON， APT 等 。
日本的有 ：富士，三菱，东芝，日立，INTER等。
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2． IGBT的等效电路
● C、E之间的四层结构N+—P—N-N+—P+ 为隐含的晶闸管 结构，包含一个PNP三极管P—N-N+—P+，正常工作时开通； 一个NPN三极管N+—P—N-N+，正常工作时不开通。等值电 路如图7-2a所示。
●由于正常时NPN不工作，可将其简化为如图7-2b所示的简化 等效电路。简化电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达 林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。
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IGBT优点：
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发展简史：
★1983年，美国GE公司和RCA公司研制成功。 ★第一代IGBT，1986年投入市场，特点：低损耗，通态压降高(3V)，下降
时间0.5us，耐压500-600V，电流25A。容量小，有擎住现象，速度低。 ★第二代IGBT，1989投产，高速开关型和低压降型(2V左右)，速度、容量
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3．IGBT的工作原理
●驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射 极电压uGE决定。
●阻断： uCE < 0时，J1结反偏，不论uGE如何，器件不导通。 uGE小于开启电压UT时，MOSFET内不能形成沟道，IGBT不 导通。
●导通： uGE大于开启电压UT时，内形成沟道，为晶体管提供 基极电流，IGBT导通。
IGBT的芯片结构及失效模式
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接线图横
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七单元系列
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六单元系列
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两单元系列
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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。
IGBT内部结构及常见失效 模式
1
主要内容
一、IGBT的结构 二、IGBT常见的失效模式 三、Q&A
2
一、IGBT的结构
1.芯片结构和特征
3
2.IGBT芯片结构的变迁
4
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 5
Trench-IGBT
Gate
Emitter
n+ p
n-
135µm
n+ p+
collector
– (Infineon 第3) – “T3” – 正温度系数 – “场终止” – 最大结Tj=150°C
SPT-IGBT
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
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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。
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IGBT芯片门极绑线点有损坏的痕迹
IGBT的结构和工作原理之欧阳道创编
IGBT的结构和工作原理图1所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。
N+ 区称为漏区。
器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。
沟道在紧靠栅区边界形成。
在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region ）。
而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区（Drain injector ），它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。
附于漏注入区上的电极称为漏极。
IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。
反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT 关断。
IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。
当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。
2.IGBT 的工作特性1.静态特性IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。
IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。
输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。
它与GTR 的输出特性相似．也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。
在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。
如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。
IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。
它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。
IGBT器件结构及其分析
IGBT器件结构及其分析0 引言IGBT是综合MOS管和双极型晶体管优势特征的一种半导体复合器件，作为功率半导体分离器件的代表，广泛应用于新能源汽车、消费电子、工业控制领域，所涉及领域几乎涵盖社会的各个方面，市场需求增长空间巨大。
近几年中国IGBT产业在国家政策推动及市场牵引下得到迅速发展，但技术方面与国际大厂仍有较大差距，国际大厂中以英飞凌为代表，技术已发展到微沟槽性IGBT，并达到量产水平。
从1980年至今，IGBT经历了六代技术的发展演变，过程如图1所示，分别是第一代平面穿通型（P.PT），第二代改进的平面穿通型（P.PT），第三代平面非穿通型（P.NPT），第四代沟槽非穿通型（Trench.NPT），第五代平面栅软穿通型（P.SPT）和第六代沟槽栅电场-截止型（FS-Trench）。
主要是围绕以下3种核心技术及与其同步的载流子浓度分布优化技术发展：（1）体结构（又称衬底）：PT （穿通）→NPT（非穿通）→ FS/SPT/LPT（软穿通）。
（2）栅结构：平面栅→沟槽栅。
（3）集电极区结构：透明集电极→内透明集电极结构。
IBGT芯片在结构上是由数万个元胞（Cell）重复组成，工艺上采用大规模集成电路技术和功率器件技术制造而成。
每个元胞（Cell）结构如图2所示，可将其分为正面MOS结构、体结构和背面集电极区的结构三部分。
1 体结构的发展IGBT 的体结构设计技术发展经历从穿通（PT）-非穿通（NTP）-软穿通（SPT）的历程。
（1）穿通结构（Punch Through，PT）特点。
随着外延技术的发展，引入N型缓冲区形成穿通结构，降低了背部空穴注入效率，实现了批量应用，但限制了高压IGBT的发展，最高电压1 700V。
（2）非穿通结构（Non Punch Through ,NPT）特点。
随着区熔薄晶圆技术发展，基于N型衬底的非穿通结构IGBT推动了电压等级的不断提升，并通过空穴注入效率控制技术使IGBT具有正温度系数，能够较快地实现并联应用、高短路能力，提高应用功率等级，并且不需要外延工艺从而降低成本。
IGBT的芯片结构及其失效模式分析经典课件
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
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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
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。
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。
IGBT的芯片结 构及其失效模
式分析
IGBT电路工作演示稿解析
特征。饱和时，集电极、放射极间的管压降
uCE很小，相当于开关接通，这时尽管电流很
大，但损耗并不大。GTR刚进入饱和时为临
界饱和，如iB连续增加，则为过饱和，用作开
关时，应工作在深度饱和状态，这有利于降
低uCE和减小导通时的损耗。
临界区
动态分析 开关状态
❖ 由于结电容和过剩载流子的存在， 其集电极电路的变化总是之后于 基极电流的变化。
IGBT驱动电路
电路分析
❖ 整个电路板的作用相当于一个光耦隔离放大电路。它的核心 局部是芯片HCPL-316J，其中由把握器(DSPTMS320F2812)产生XPWM1及XCLEAR*信号输出给HCPL316J，同时HCPL-316J产生的IGBT故障信号FAULT*给把握 器。同时在芯片的输出端接了由NPN和PNP组成的推挽式输 出电路,目的是为了提高输出电流力气，匹配IGBT驱动要求。 当HCPL-316J输出端VOUT输出为高电寻常，推挽电路 上管(T1)导通，下管(T2)截止， 三端稳压块LM7915输出端 加在IGBT门极(VG1)上，IGBT VCE为15V，IGBT导通。当 HCPL-316J输出端VOUT输出为低电寻常，上管(T1)截止， 下管(T1)导通，VCE为-9V，IGBT关断。以上就是IGBT的开 通关断过程。
模块的驱动电路
智能型器件IPM
❖ IPM是IGBT智能化功率模块，它将IGBT芯片、 驱动电路、疼惜电路和箝位电路等封装在一 个模块内，不但便于而且大大有利于装置的 小型化、高频化。
❖ IPM的电路图下所示： ❖ 这是个有两个IGBT组成的桥段，集射极间并
有续流二极管。
接 CPU 口
电 路
IPM
IGBT的动态特性
IGBT的几种失效模式
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。
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生成的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的绝缘栅就一定被击穿。
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。
不管是安装在印刷电路板上还是存放在盒中的此种器件，都出现莫名其妙的失效。
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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。
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-IGBT
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
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
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。
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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。
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
• 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
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。
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。
③功率循环与热循环： 过大的温度变化 过频繁的温度变化
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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。
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
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
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。