IGBT內部結構及常見失效模式CHENLI12021/3/7主要內容一、IGBT的結構二、IGBT常見的失效模式三、Q&ACHENLI22021/3/7一、IGBT的結構1.芯片結構和特征CHENLI32021/3/72.IGBT芯片結構的變遷CHENLI42021/3/7

平面型發展方向：平面型→溝槽型→軟溝槽型垂直發展方向：穿透→非穿透→場終止圖1.3IGBT芯片發展歷程CHENLI52021/3/7(ABB第1代)“128”

正溫度系數軟穿通最大結Tj=150°C(Infineon第3)“T3”

正溫度系數“場終止”最大結Tj=150°Cn+n-collectorGateEmitterTrench-IGBT

p+135

μmn+pn+n-CollectorGateEmitterTrench4IGBTp+125

μmn+p(Infineon第4代)“T4”

正溫度系數場終止最大結Tj=175°C開關損耗降低30%n+n-CollectorGateEmitterSPT-IGBTp+pn135μmCHENLI62021/3/7IGBT模塊的封裝工序流程：

芯片和DBC焊接邦線→DCB和銅底板焊接→安裝外殼→灌注硅膠→密封→終測3.IGBT芯片的結構和封裝流程圖1.4IGBT模塊構造圖圖1.5IGBT模塊封裝圖CHENLI72021/3/7典型三電平主回路拓撲結構CHENLI82021/3/7CHENLI92021/3/7CHENLI102021/3/71.圖示8處插入銅排，引出的為1管的集電極（C級）2.圖示5處接1管的集電極3.圖示4處接1管的門極（G級）4.圖示3處接1管的發射極（E級）同時為2管的集電極（C極）同時為鉗位二極管的負端5.圖示9處接鉗位二極管的正端6.圖示1處接2管的門極（G級）7.圖示2處接2管的發射極（E級）8.圖示10處接2管的發射極（E級）9.圖示6、7兩端接熱敏電阻的兩端248352167910CHENLI112021/3/7CHENLI122021/3/7CHENLI132021/3/7接線圖橫CHENLI142021/3/7七單元系列CHENLI152021/3/7六單元系列CHENLI162021/3/7兩單元系列CHENLI172021/3/7CHENLI182021/3/7CHENLI192021/3/7二、IGBT常見的失效模式1.IGBT失效機理和其它任何功率半導體器件一樣，IGBT工作的應用可靠性極大程度上依賴于對結溫TJ的控制，其失效率隨結溫的遞增幾乎呈指數遞增的關系。因此,過溫失效是IGBT的最重要失效模式。為了獲得盡可能低的通態壓降，IGBT選用的硅單晶電阻率及設計的芯片基區寬度都是被控制在盡可能小的范圍，這決定了IGBT的集電極額定擊穿電壓并不像工頻器件那樣可有較大的余量，因此當IGBT承受的電壓超過其額定值時極有可能造成永久性損壞——電壓擊穿失效。CHENLI202021/3/7

當IGBT關斷過高的脈沖集電極電流ICM時同樣可能產生較高的集電極電壓VCE而產生電壓擊穿失效。多數器件制造商推薦的IGBT工作電壓VCE的上限值為80％額定電壓。

IGBT的柵極和MOSFET一樣多屬于MOS（金屬-氧化物-半導體）結構，當柵極引入過電壓時可導致柵氧層的缺陷產生或直接擊穿而使IGBT失效——柵極過電壓失效。另外，當IGBT柵極引入高電壓時，集電極電流會跟隨變大，關斷這個電流而產生的集電極過電壓（VCE）有可能使集電極產生擊穿——柵極過電壓引起的集電極過電壓失效。CHENLI212021/3/72.常見的失效原因①過電壓：

VCE過電壓*關斷浪涌電壓*母線電壓上升*控制信號異常*外部浪涌電壓（雷電浪涌等）

VGE過電壓*靜電*柵極驅動回路異常*柵極振蕩*與高壓相連*外部浪涌CHENLI222021/3/7②過流、熱失效：散熱設計不完善短路過電流柵極電壓欠壓極配線開路開關頻率異常增加開關時間過長散熱不良③功率循環與熱循環：過大的溫度變化過頻繁的溫度變化CHENLI232021/3/73.一些失效案例A、過壓失效IGBT芯片耐壓環位置損壞嚴重IGBT芯片耐壓環位置損壞嚴重故障點靠近硅片邊沿或傳感器,其電場較強。CHENLI242021/3/73.一些失效案例A、過壓失效故障點靠近硅片邊沿或傳感器,其電場較強。CHENLI252021/3/7

綜述：IGBT芯片鋁線和芯片表面鍵合位置為綁線點，當此位置出現類似現象時，可以判定為過電流損壞。損壞的原因一般有以下幾種：1、輸出短路或輸出接地；2、母線銅牌打火導致浪涌電流；3、門極控制信號異常（有干擾源或者本身器件損壞）CHENLI262021/3/7B、過流失效故障點集中于綁定線區域，因為短路電流流向是從背部的‘C’到綁定線部位的'E'.IGBT芯片綁線點位置損壞嚴重CHENLI272021/3/7CHENLI282021/3/7

綜述：IGBT芯片鋁線和芯片表面鍵合位置為綁線點，當此位置出現類似現象時，可以判定為過電流損壞。損壞的原因一般有以下幾種：1、輸出短路或輸出接地；2、母線銅牌打火導致浪涌電流；3、門極控制信號異常（有干擾源或者本身器件損壞）CHENLI292021/3/7C、過熱失效故障點位于硅片中心附近,該區域發熱嚴重。IGBT芯片有龜裂的現象并且底部有錫溢出CHENLI302021/3/7IGBT芯片有龜裂的現象并且底部有錫溢出CHENLI312021/3/7CHENLI322021/3/7典型過熱損壞IGBT芯片有龜裂的現象并且底部有錫溢出CHENLI332021/3/7IGBT芯片表面有熔融的球狀物并且底部有錫溢出

綜述：IGBT芯片有龜裂或者表面有熔融的球狀物，出現此類現象時，可以判定為過電流損壞。損壞的原因一般有以下幾種：1、瞬間通過極大電流導致瞬時結溫過高；2、散熱不良，或者散熱硅脂涂抹不到位；3、器件本身空洞率過高CHENLI342021/3/7D、門極過電壓故障點位于柵氧化層,由于柵氧化層幾乎分布在硅片的每個部位，所以故障點可能隨機出現在硅片的任意地方。CHENLI352021/3/7IGBT芯片門極綁線點有損壞的痕跡CHENLI362021/3/7放大后IGBT芯片門極總線點有損壞的痕跡

綜述：IGBT芯片門極綁線點或者門極總線有損壞，出現此類現象時，可以判定為門極過電壓損壞。損壞的原因一般有以下幾種：1、靜電擊穿；2