IGBT及其子器件的四種失效模式比較

由圖6可以看出：

（1） 緊隨器件關斷后，初始拖尾電流電平（lio）直至失效的延遲時間是由能量決定的，或者說由器件關斷后的溫度決定的。能量越大，拖尾電流電平也越高，失效的延遲時間則越短。例如，圖中給出的最大能量是Tsc=60us，這時，Tds趨向一個極小值。

（2） 當Tsc=33us時，屬于EEC狀態，不發生延遲失效。

當Tsc=35us，Tds=25us，開始出現熱擊穿。

4.2管殼溫度的影響

管殼溫度對臨界能量EC的影響最大，管殼溫度升高，EC就下降，測量SGW15N60的結果是：

溫度：25℃125℃

EC：0.81J0.62J

4.3集電極電壓的影響

集電極電壓升高，EC就下降：

VC：250V540V

EC：2.12J1.95J

4.4穿通型（PI）IGBT

PT—IGBT的短路失效特性和NPT—IGBT類似，但是，臨界能理值EC比NPT—IGBT低。例如：在125℃，短路電壓Vsc=400V時：

600V PT—IGBT（IRGP20u）：EC=0.37J

600V NPT—IGBT(SGW15N60):EC=0.62J

4.5結果

（1）每次短路周期耗散的能量E小于由被測電路電壓Vce、短路持續時間Tsc和管殼溫度決定的臨界能量Ec時，IGBT可以連續承受104次以上短路沖擊才失效。

（2）在可比的條件下，當E>EC時，一次短路就失效。

（3）NPT—IGBT比PT—IGBT能承受較大的能量沖擊。

5、靜電放電保護用高壓NPN管的硅熔融

在失效的硅器件表面，常常觀察到硅熔融，而導致硅熔融的原因卻不只一個。例如：器件短路和開關時的瞬間大電流，正向工作區域或熱工作區出現二次擊穿損傷等到。因此要對靜電敏感的器件和電路的輸入/輸出（I/O）端增設靜電放電（ESD）保護裝置。而ESD保護裝置的器件的硅熔融，也是使被保護的器件和電路失效的原因之一。在本文引言中曾提到汽車應用的器件，其中原因失效要退貨的數量中，有30%的失效與ESD有關。由于I/O端的規范不同，需要及時對器件和電路進行再設計。同時，為了減少試驗成本，提高可靠性，需要采用計算機輔助設計技術（TCAD）。

圖7是晶體管的正向擊穿特性，圖7中的VT·是器件的損傷點，其定義有以下三種設定：

（1） 器件的漏泄電流大于某一臨界值即定為器件失效。但它忽略了硅熔融和氧化層的擊穿；

（2） 器件出現強烈電壓崩潰的二次擊穿時定為器件失效，但有時器件達到大電流范圍也不出現二次擊穿。

（3） 當器件的載流子碰撞電離Gi等于肖克萊—里德—霍爾（Shockley—Read—Hall）復合率，同時，總電流隨電壓反向增加時定為器件失效。

為了驗證第（3）種假設，予測二次擊穿管點，用0.35um特征尺寸的功率集成電路工藝設計了ESD防護用的標準高壓NPN管，并將基極—發射極接地。

圖8是NPN管測量的和用（2）假定來模擬的I-V特性。由圖8可見，測量的損傷電流IT2=1.5A,而模擬值是1..8A，有較大誤差。圖9是用（3）假設外推的結果。其模擬值是1.52A，相當一致。

圖10是1A電流應力下，模擬顯示該器件有兩個熱點。一個在收集極觸點下，損傷電流IT2=1.52A；另一個熱點在發射極之下，用外推法算出的損傷電流遠大于2A。所以，首先出現導致失效的硅熔融點應在收集極。圖11是該器件失效照片。證明此結果。

本案例說明：（1）ESD防護器件的失效也是實際器件和電路失效的一種模式。（2）防護用的NPN管的損傷點可以用TCAD獲得。