功率半導(dǎo)體IGBT失效分析與可靠性摘要：目前，IGBT是綠色經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，應(yīng)用于航空航天、新能源、軌道交通、工業(yè)變頻、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。作為自動控制和功率轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵核心部件，IGBT是不可或缺的功率核心。利用IGBT進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換，可以提高電能效率和質(zhì)量，達(dá)到30%~40%的節(jié)能效果。即使用IGBT技術(shù)改造傳統(tǒng)設(shè)備，平均節(jié)電率仍可提高20%。此外，IGBT也是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等新能源都需要使用IGBT產(chǎn)品向電網(wǎng)輸送電能。關(guān)鍵詞：主動式PFC升壓電路；IGBT；SOA；閂鎖效應(yīng)；ESD；結(jié)合大量失效品分析與電路設(shè)計分析，對IGBT失效原因及失效機理分析，分析結(jié)果表明：經(jīng)過對IGBT失效分析及IGBT工作電路失效分析及整機相關(guān)波形檢測、熱設(shè)計分析、IGBT極限參數(shù)檢測對比發(fā)現(xiàn)IGBT失效由多種原因?qū)е拢琁GBT在器件選型、器件可靠性、閂鎖效應(yīng)、驅(qū)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(shè)計方面全部提升IGBT工作可靠性。一、分析及生效機理1.失效器件無損檢測分析。（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(nèi)部IGBT芯片金線焊接等無異常，芯片表面有燒毀點，分析內(nèi)部過電損傷導(dǎo)致失效。（2）開封解析。對主板失效IGBT進(jìn)行開封解析，內(nèi)部芯片表面有擊穿燒痕跡，IGBT失效均為有源區(qū)（activearea）受到高能量損壞，分析主要為過電擊穿失效。IGBT等效電路如圖1所示。圖1IGBT結(jié)構(gòu)描述（3）失效IGBT應(yīng)用電路。如圖2，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(fù)二極管D901組成。當(dāng)IGBT閉合時電感L3充能，IGBT斷開時電感L3釋放電能。IGBT應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖2IGBT應(yīng)用電路二、失效原因及失效機理分析經(jīng)過對失效IGBT器件ESD能力檢測、極限參數(shù)測試分析（極限耐壓、SOA安全工作區(qū)、開關(guān)損耗、）、應(yīng)用環(huán)境、驅(qū)動電路設(shè)計、整機工作波形分析、熱設(shè)計分析發(fā)現(xiàn)其存在眾多不足，總結(jié)歸納如下。IGBT柵極ESD水平低，經(jīng)過對IGBT柵極ESD水平測試，STIGBT柵極ESD水平平均在3400V，最低只有2900V，生產(chǎn)過程易出現(xiàn)靜電放電損傷IGBT。STIGBT與Renesas、Farichild靜電能力測試對比結(jié)果如表

1。表1IGBT柵極ESD水平測試（V）2.IGBT超出絕對最大值發(fā)生過電壓事件（RBSOA安全工作區(qū)）、閂鎖效應(yīng)導(dǎo)致IGBT失效問題，經(jīng)過分析與廠家測試有關(guān)，廠家測試標(biāo)準(zhǔn)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(fù)荷環(huán)境，在電源質(zhì)量差環(huán)境易出現(xiàn)IGBT閂鎖效應(yīng)導(dǎo)致失效，廠家在芯片測試環(huán)節(jié)沒有實施芯片閂鎖效應(yīng)測試篩選。3.IGBT應(yīng)用電路設(shè)計存在缺陷，在特殊條件下檢測有負(fù)壓存在，在PFC電路中若IGBT兩端存在負(fù)壓沒有二極管續(xù)流會損傷IGBT，導(dǎo)致?lián)舸┦А?.IGBT柵極耐壓測試發(fā)現(xiàn)IGBT及2個廠家驅(qū)動芯片存在差異，東芝IGBT柵極極限耐壓在25~27V，STIGBT柵極極限耐壓在24V，TC4427驅(qū)動芯片極限耐壓23V，IR4427驅(qū)動芯片極限耐壓25~27V。TC4427IGBT驅(qū)動芯片耐壓偏低，低于實際應(yīng)用24V穩(wěn)壓二極管工作電壓，當(dāng)柵極電壓存在突變波動時，過壓沖擊將TC4427芯片擊穿，導(dǎo)致24V穩(wěn)壓二極管實際上沒有工作電壓。穩(wěn)壓二極管選型不合理，需降低穩(wěn)壓二極管耐壓水平。TC4427IGBT驅(qū)動芯片極限耐壓水平在22V，IGBT驅(qū)動電路穩(wěn)壓管選型為24V，在TC4427的引腳Vout上會出現(xiàn)瞬態(tài)大電壓，在空調(diào)機組關(guān)閉的瞬間，實際檢測IGBT驅(qū)動波形發(fā)現(xiàn)最大脈沖電壓約為24V，比TC4427規(guī)格書中的最大值22V高出2V，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。模塊散熱效率差，散熱器使用金屬拉絲，表面粗糙度大（0.15mm），影響模塊散熱效率，散熱器拉絲工藝，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(jìn)一步分析為功率器件散熱不良失效，對應(yīng)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(jìn)行檢查，確認(rèn)部分使用金屬拉絲工藝散熱器表面粗糙度較差，容易導(dǎo)致IGBT工作過程中局部地區(qū)散熱效果不佳，溫度積聚升高，過熱燒毀。三、IGBT工作可靠性提升方案1.提升IGBT柵極ESD水平，由之前3400V提升至8000V。基本杜絕生產(chǎn)過程ESD損傷IGBT導(dǎo)致失效問題。2.實施汽車級PPAT篩選測試標(biāo)準(zhǔn)，增加100%芯片閂鎖效應(yīng)測試，廠家在芯片測試（增加PPAT測試篩選VTH、BVCES、VCESAT參數(shù)）環(huán)節(jié)實施芯片閂鎖效應(yīng)測試篩選。PPAT測試能夠消除任何可能離群值或鎖存弱點，把離散的有質(zhì)量可靠性問題物料全部剔除。3.IGBT內(nèi)部增加5A/600V續(xù)流二極管，用于防止IGBT可能出現(xiàn)的負(fù)壓，解決IGBT反向負(fù)壓導(dǎo)致IGBT失效問題，提高IGBT在復(fù)雜環(huán)境工作的可靠性。4.IGBT柵極驅(qū)動穩(wěn)壓二極管重新選型，將工作電壓由24V改為20V。調(diào)整前段穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓值，保證工作冗余量。TC4427芯片極限工作電壓大于22V，實際測試平均工作極限耐壓值23V，IGBT驅(qū)動電路使用穩(wěn)壓二極管為24V，不能有效驅(qū)動IGBT保護(hù)電路，驅(qū)動芯片失效，導(dǎo)致IGBT擊穿失效。測試TC4427芯片（IGBT驅(qū)動芯片）各個批次的極限工作電壓大于22V（符合規(guī)格書），普遍小于24V，分析將線路設(shè)計中的24V穩(wěn)壓二極管變更成20V后，可以更好保護(hù)電路中的驅(qū)動芯片和IGBT。5.驅(qū)動芯片改為IR4427芯片，該芯片柵極耐壓相對較高，TC4427耐壓在22~23V，IR4427極限耐壓在25~27V。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0.15mm降低0.05mm，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8mm，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(xiàn)漏電，以及電氣間隙不足導(dǎo)致的打火異常。8.選取低熱阻的硅膠片，提高IGBT散熱效率，經(jīng)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。總之，結(jié)合大量失效品分析與電路設(shè)計分析，對IGBT失效原因及失效機理分析的結(jié)果