功率半導(dǎo)體IGBT失效分析與可靠性研究

黎長源 項(xiàng)永金 王少輝

摘？要：高端變頻空調(diào)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)大量外機(jī)不工作，經(jīng)過大量失效主板分析確認(rèn)是主動(dòng)式PFC電路中IGBT擊穿失效，本文結(jié)合大量失效品分析與電路設(shè)計(jì)分析，對(duì)IGBT失效原因及失效機(jī)理分析，分析結(jié)果表明：經(jīng)過對(duì)IGBT失效分析及IGBT工作電路失效分析及整機(jī)相關(guān)波形檢測(cè)、熱設(shè)計(jì)分析、IGBT極限參數(shù)檢測(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn)IGBT失效由多種原因?qū)е?，IGBT在器件選型、器件可靠性、閂鎖效應(yīng)、驅(qū)動(dòng)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(jì)方面全部提升IGBT工作可靠性。

關(guān)鍵詞：主動(dòng)式PFC升壓電路；IGBT；SOA；閂鎖效應(yīng)；ESD；熱擊穿失效

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(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面優(yōu)點(diǎn)。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，耐高壓、驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低、開關(guān)速度快、開關(guān)損耗小，非常適合應(yīng)用于直流電壓為600 V及以上的變流系統(tǒng)，如交流電機(jī)、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)。目前IGBT是綠色經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域里的核心技術(shù)之一，規(guī)范應(yīng)用于在航空航天、新能源、軌道交通、工業(yè)變頻、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。IGBT作為自動(dòng)控制和功率變換的關(guān)鍵核心部件，是必不可少的功率“核芯”。采用IGBT進(jìn)行功率變換，能夠提高用電效率，提升用電質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)30%～40%的節(jié)能效果。即使對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行IGBT技術(shù)改造，平均節(jié)電率仍可提升20%。此外，IGBT還是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等新能源都要借助IGBT產(chǎn)品將電能輸送到電網(wǎng)中[1-4]。

1 分析與生效機(jī)理研究

1.1 失效器件無損檢測(cè)分析

1.1.1 X - ray透射分析

失效IGBT表面無損傷，萬用表測(cè)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，片芯表面有燒毀點(diǎn)（圖1），分析內(nèi)部過電損傷導(dǎo)致失效。

1.1.2 開封解析

對(duì)主板失效IGBT進(jìn)行開封解析，內(nèi)部片芯表面有擊穿燒痕跡，IGBT失效均為有源區(qū)（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(jié)構(gòu)描述

絕緣柵雙極性晶體管IGBT等效電路如圖2所示。

1.1.4 失效IGBT應(yīng)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(fù)二極管D901組成。當(dāng)IGBT閉合時(shí)電感L3充能，IGBT斷開時(shí)電感L3釋放電能。IGBT應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2 失效原因及失效機(jī)理分析

經(jīng)過對(duì)失效IGBT器件ESD能力檢測(cè)、極限參數(shù)測(cè)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(dòng)電路設(shè)計(jì)、整機(jī)工作波形分析、熱設(shè)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)其存在眾多不足，總結(jié)歸納如下。

1）IGBT柵極ESD水平低，經(jīng)過對(duì)IGBT柵極ESD水平測(cè)試，ST IGBT柵極ESD水平平均在3 400 V，最低只有2 900 V，生產(chǎn)過程易出現(xiàn)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(cè)試對(duì)比結(jié)果如表2。

2）IGBT超出絕對(duì)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(cè)試有關(guān)，廠家測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)較為寬松，對(duì)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?lián)舸┱ㄊ?，廠家在片芯測(cè)試環(huán)節(jié)沒有實(shí)施片芯閂鎖效應(yīng)測(cè)試篩選。

3）IGBT應(yīng)用電路設(shè)計(jì)存在缺陷，在特殊條件下檢測(cè)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(huì)損傷IGBT，導(dǎo)致?lián)舸┦А?/p>

4）IGBT柵極耐壓測(cè)試發(fā)現(xiàn)IGBT及2個(gè)廠家驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)芯片極限耐壓23 V，IR4427驅(qū)動(dòng)芯片極限耐壓25～27 V。TC4427 IGBT驅(qū)動(dòng)芯片耐壓偏低，低于實(shí)際應(yīng)用24 V穩(wěn)壓二極管工作電壓，當(dāng)柵極電壓存在突變波動(dòng)時(shí)，過壓沖擊將TC4427芯片擊穿，導(dǎo)致24 V穩(wěn)壓二極管實(shí)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。TC4427 IGBT驅(qū)動(dòng)芯片極限耐壓水平在22 V，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3。

IGBT驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)壓管選型為24 V，在TC4427的引腳Vout上會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)大電壓，在空調(diào)機(jī)組關(guān)閉的瞬間，實(shí)際檢測(cè)IGBT驅(qū)動(dòng)波形發(fā)現(xiàn)最大脈沖電壓約為24 V，比TC4427規(guī)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(wěn)壓管值24 V是基于保護(hù)IR4427選擇的，無法有效保護(hù)TC4427。需要改變穩(wěn)壓管值到22 V下，增大穩(wěn)壓管功率，從而有效保護(hù)TC4427免受過壓沖擊損壞。

IGBT柵極極限耐壓測(cè)試如圖5～圖6，可見①G-E擊穿電壓：ST比東芝明顯偏低。②E-G擊穿電壓：ST比東芝明顯偏低。

TC4427芯片極限電壓測(cè)試，TC4427芯片VCC測(cè)試首次出現(xiàn)擊穿拐點(diǎn)在18～19 V，隨著施加電壓增加擊穿電壓增大，總體測(cè)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(jìn)一步分析為功率器件散熱不良失效，對(duì)應(yīng)IGBT螺釘鎖緊無異常。通過對(duì)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。

6）IGBT銅板與散熱器電氣間隙不合格導(dǎo)致燒毀問題，經(jīng)過分析是硅膠片尺寸設(shè)計(jì)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(xiàn)間隙不合格擊穿燒毀IGBT。IGBT引腳與散熱器凸臺(tái)有一定間隙，硅膠片未能完全覆蓋，IGBT引腳與散熱器凸臺(tái)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。

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?；径沤^生產(chǎn)過程ESD損傷IGBT導(dǎo)致失效問題。ST新品ESD水平測(cè)試測(cè)試數(shù)據(jù)如表4，AB兩個(gè)廠家IGBT柵極ESD測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)如圖9所示。

2）實(shí)施汽車級(jí)PPAT篩選測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，增加100%片芯閂鎖效應(yīng)測(cè)試，廠家在片芯測(cè)試（增加PPAT測(cè)試篩選VTH、BVCES、VCESAT參數(shù)）環(huán)節(jié)實(shí)施片芯閂鎖效應(yīng)測(cè)試篩選。PPAT測(cè)試能夠消除任何可能離群值或鎖存弱點(diǎn)如圖10所示，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5 A/600 V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(dòng)穩(wěn)壓二極管重新選型，將工作電壓由24 V改為20 V。

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22 V，實(shí)際測(cè)試平均工作極限耐壓值23 V，IGBT驅(qū)動(dòng)電路使用穩(wěn)壓二極管為24 V，不能有效驅(qū)動(dòng)IGBT保護(hù)電路，驅(qū)動(dòng)芯片失效，導(dǎo)致IGBT擊穿失效。測(cè)試TC4427芯片（IGBT驅(qū)動(dòng)芯片）各個(gè)批次的極限工作電壓大于22 V（符合規(guī)格書），普遍小于24 V，分析將線路設(shè)計(jì)中的24 V穩(wěn)壓二極管變更成20 V后，可以更好保護(hù)電路中的驅(qū)動(dòng)芯片和IGBT，如圖11所示。

5）驅(qū)動(dòng)芯片改為IR4427芯片，該芯片柵極耐壓相對(duì)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(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(duì)新物料IGBT溫升及散熱效率測(cè)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(jié)及意義

本文結(jié)合大量失效品分析與電路設(shè)計(jì)分析，對(duì)IGBT失效原因及失效機(jī)理分析的結(jié)果表明：經(jīng)過對(duì)IGBT失效分析及IGBT工作電路失效分析及整機(jī)相關(guān)波形檢測(cè)、熱設(shè)計(jì)分析、IGBT極限參數(shù)檢測(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn)IGBT失效由多種原因?qū)е?，IGBT在器件選型、器件可靠性、閂鎖效應(yīng)、驅(qū)動(dòng)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(jì)方面提升IGBT工作可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王瑞.大功率IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路的研究[J].電氣自動(dòng)化， 2014（3）：115-117.

[2] 楊閎盛，宋郭蒙，王雄.IGBT模塊與散熱器接觸界面氣隙對(duì)散熱的影響研究[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2020（1）：18-21，33.

[3] 尹新.基于柵極控制的IGBT關(guān)斷過電壓研究[J].電源技術(shù)，2016（3）：680-683.

[4] 唐勇.高溫下的IGBT可靠性與在線評(píng)估[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014（6）：17-23.