功率半導體IGBT失效分析與可靠性研究

0   引言

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET 的高輸入阻抗和GTR 的低導通壓降兩方面優點。IGBT 綜合了以上兩種器件的優點，耐高壓、驅動功率小而飽和壓降低、開關速度快、開關損耗小，非常適合應用于直流電壓為600 V 及以上的變流系統，如交流電機、開關電源、照明電路、牽引傳動。目前IGBT 是綠色經濟領域里的核心技術之一，規范應用于在航空航天、新能源、軌道交通、工業變頻、智能電網等領域。IGBT 作為自動控制和功率變換的關鍵核心部件，是必不可少的功率“核芯”。采用IGBT 進行功率變換，能夠提高用電效率，提升用電質量，實現30%~40% 的節能效果。即使對傳統設備進行IGBT 技術改造，平均節電率仍可提升20%。此外，IGBT 還是實現能源轉換的關鍵元件，光伏發電、風力發電、太陽能發電等新能源都要借助IGBT 產品將電能輸送到電網中^[1-4]。

1   分析與生效機理研究

1.1 失效器件無損檢測分析

1.1.1 X-ray透射分析

失效IGBT 表面無損傷，萬用表測試1、2、3 腳互相短路，X 光透射內部IGBT 芯片金線焊接等無異常，片芯表面有燒毀點（圖1），分析內部過電損傷導致失效。

圖1 IGBT X光透射圖片

1.1.2 開封解析

對主板失效IGBT 進行開封解析，內部片芯表面有擊穿燒痕跡，IGBT 失效均為有源區（active area）受到高能量損壞，分析主要為過電擊穿失效，如表1 所示。

1.1.3 IGBT結構描述

絕緣柵雙極性晶體管IGBT 等效電路如圖2 所示。

圖2 IGBT結構描述

1.1.4 失效IGBT應用電路

如圖3， 紅框部分為PFC 電路整流濾波部分，C401 電容具有濾波和抑制EMI 作用，PFC 主電路部分由PFC 電感L3、IGBT 及快恢復二極管D901 組成。當IGBT 閉合時電感L3 充能，IGBT 斷開時電感L3 釋放電能。IGBT 應用電路結構圖如圖3 所示。

圖3 IGBT應用電路

2   失效原因及失效機理分析

經過對失效IGBT 器件ESD 能力檢測、極限參數測試分析（極限耐壓、SOA 安全工作區、開關損耗、）、應用環境、驅動電路設計、整機工作波形分析、熱設計分析發現其存在眾多不足，總結歸納如下。1）IGBT 柵極ESD 水平低，經過對IGBT 柵極ESD水平測試，ST IGBT 柵極ESD 水平平均在3 400 V，最低只有2 900 V， 生產過程易出現靜電放電損傷IGBT。ST IGBT 與Renesas、Farichild（ 編者注：2016年被安森美收購）靜電能力測試對比結果如表2。

2）IGBT 超出絕對最大值發生過電壓事件（RBSOA安全工作區）、閂鎖效應導致IGBT 失效問題，經過分析與廠家測試有關，廠家測試標準較為寬松，對于離散在邊緣位置的一部分物料沒有有效篩選剔除，在過負荷環境，在電源質量差環境易出現IGBT 閂鎖效應導致擊穿炸失效，廠家在片芯測試環節沒有實施片芯閂鎖效應測試篩選。

3）IGBT 應用電路設計存在缺陷，在特殊條件下檢測有負壓存在，在PFC 電路中若IGBT 兩端存在負壓沒有二極管續流會損傷IGBT，導致擊穿失效。

4）IGBT 柵極耐壓測試發現IGBT 及2 個廠家驅動芯片存在差異，東芝IGBT 柵極極限耐壓在25~27 V，ST IGBT 柵極極限耐壓在24 V，TC4427驅動芯片極限耐壓23 V，IR4427 驅動芯片極限耐壓25~27 V。TC4427 IGBT 驅動芯片耐壓偏低，低于實際應用24 V 穩壓二極管工作電壓，當柵極電壓存在突變波動時，過壓沖擊將TC4427 芯片擊穿，導致24 V穩壓二極管實際上沒有工作電壓。穩壓二極管選型不合理，需降低穩壓二極管耐壓水平。TC4427 IGBT 驅動芯片極限耐壓水平在22 V，測試數據如表3。

IGBT 驅動電路穩壓管選型為24 V，在TC4427 的引腳Vout 上會出現瞬態大電壓，在空調機組關閉的瞬間，實際檢測IGBT 驅動波形發現最大脈沖電壓約為24 V，比TC4427 規格書中的最大值22 V 高出2 V，脈沖電壓超過最大值，器件的可靠性或使用壽命可能受影響。穩壓管值24 V 是基于保護IR4427 選擇的，無法有效保護TC4427。需要改變穩壓管值到22 V下，增大穩壓管功率，從而有效保護TC4427 免受過壓沖擊損壞。IGBT 柵極極限耐壓測試如圖5~ 圖6，可見① G-E擊穿電壓：ST 比東芝明顯偏低。② E-G 擊穿電壓：ST比東芝明顯偏低。

圖5、圖6 東芝ST IGBT柵極耐壓測試對比

TC4427 芯片極限電壓測試，TC4427 芯片VCC 測試首次出現擊穿拐點在18~19 V，隨著施加電壓增加擊穿電壓增大，總體測試芯片擊穿電壓大致范圍在21~23 V之間。

5）模塊散熱效率差，散熱器使用金屬拉絲，表面粗糙度大（0.15 mm），影響模塊散熱效率，散熱器拉絲工藝外貌如圖7，需要降低粗糙度。更改散熱器銑削工藝。部分IGBT 失效，通過分析為過流燒壞，進一步分析為功率器件散熱不良失效，對應IGBT 螺釘鎖緊無異常。通過對故障件上匹配的散熱器粗糙度進行檢查，確認部分使用金屬拉絲工藝散熱器表面粗糙度較差，容易導致IGBT 工作過程中局部地區散熱效果不佳，溫度積聚升高，過熱燒毀。

圖7 散熱器金屬拉絲外貌

6）IGBT 銅板與散熱器電氣間隙不合格導致燒毀問題，經過分析是硅膠片尺寸設計不合理，員工裝配存在差異，在硅膠片貼偏情況下，IGBT 銅板與散熱器電氣出現間隙不合格擊穿燒毀IGBT。IGBT 引腳與散熱器凸臺有一定間隙，硅膠片未能完全覆蓋，IGBT 引腳與散熱器凸臺電氣間隙過小，也存在過電打火隱患。IGBT打火失效如圖8 所示，需要增加硅膠片尺寸，保證有效電氣間隙。

圖8 失效件IGBT打火圖片

3   IGBT工作可靠性提升方案

1）提升IGBT 柵極ESD 水平，由之前3 400 V 提升至8 000 V。基本杜絕生產過程ESD 損傷IGBT 導致失效問題。ST 新品ESD 水平測試測試數據如表4，AB兩個廠家IGBT 柵極ESD 測試對比數據如圖9 所示。

圖9 IGBT柵極ESD水平測試對比

2）實施汽車級PPAT 篩選測試標準，增加100% 片芯閂鎖效應測試，廠家在片芯測試（增加PPAT 測試篩選VTH、BVCES、VCESAT 參數）環節實施片芯閂鎖效應測試篩選。PPAT 測試能夠消除任何可能離群值或鎖存弱點如圖10 所示，把離散的有質量可靠性問題物料全部剔除。

圖10 片芯測試篩選標準圖

3）IGBT 內部增加5 A/600 V 續流二極管， 用于防止IGBT 可能出現的負壓，解決IGBT 反向負壓導致IGBT 失效問題，提高IGBT 在復雜環境工作的可靠性。

4）IGBT 柵極驅動穩壓二極管重新選型，將工作電壓由24 V 改為20 V。

調整前段穩壓二極管穩壓值，保證工作冗余量。TC4427 芯片極限工作電壓大于22 V，實際測試平均工作極限耐壓值23 V，IGBT 驅動電路使用穩壓二極管為24 V，不能有效驅動IGBT 保護電路，驅動芯片失效，導致IGBT 擊穿失效。測試TC4427 芯片（IGBT 驅動芯片）各個批次的極限工作電壓大于22 V（符合規格書），普遍小于24 V，分析將線路設計中的24 V 穩壓二極管變更成20 V 后，可以更好保護電路中的驅動芯片和IGBT，如圖11 所示。

圖13 IGBT驅動電路圖

5）驅動芯片改為IR4427 芯片，該芯片柵極耐壓相對較高，TC4427 耐壓在22~23 V，IR4427 極限耐壓在25~27 V。

6）提升散熱效率，改變散熱器加工工藝，由金屬拉絲工藝改為銑削工藝，提高散熱器裝配面的粗糙度，由0.15 mm 降低0.05 mm，IGBT 散熱效率大幅度提升。IGBT 整體溫升降低5 ℃。

7）硅膠片尺寸加長，更改硅膠片尺寸，杜絕硅膠片尺寸過小造成的IGBT 與散熱器接觸打火燒毀。比之前加長8 mm，能更好包裹住IGBT 本體底部及IGBT 引腳，防止硅膠片與散熱器接觸出現漏電，以及電氣間隙不足導致的打火異常。

8）選取低熱阻的硅膠片，提高IGBT 散熱效率，經過對新物料IGBT 溫升及散熱效率測試，可以降低溫升5 ℃左右。降低IGBT 熱擊穿失效概率，提高IGBT工作可靠性。

4   整改總結及意義

本文結合大量失效品分析與電路設計分析，對IGBT 失效原因及失效機理分析的結果表明：經過對IGBT 失效分析及IGBT 工作電路失效分析及整機相關波形檢測、熱設計分析、IGBT 極限參數檢測對比發現IGBT 失效由多種原因導致，IGBT 在器件選型、器件可靠性、閂鎖效應、驅動控制、ESD 能力等方面存在不足，逐一分析論證后，從IGBT 本身及電路設計方面提升IGBT 工作可靠性。

參考文獻：

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年8月期）