功率半导体IGBT失效分析与可靠性研究

时间: 2024-08-05 11:20:13 |   作者: 产品类型

　　：高端变频空调在实际应用中出现大量外机不工作，经过大量失效主板分析确认是主动式PFC电路中IGBT击穿失效，本文结合大量失效品分析与电路设计分析，对IGBT失效原因及失效机理分析，分析根据结果得出：经过对IGBT失效分析及IGBT工作电路失效分析及整机相关波形检测、热设计分析、IGBT极限参数检测对比发现IGBT失效由多种问题造成，IGBT在器件选型、器件可靠性、闩锁效应、驱动控制、ESD能力等方面存在不足，逐一分析论证后从IGBT本身及电路设计方面全部提升IGBT工作可靠性。

　　IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR 的低导通压降两方面优点。IGBT综合了以上两种器件的优点，耐高压、驱动功率小而饱和压降低、开关速度快、开关损耗小，很适合应用于直流电压为600 V 及以上的变流系统，如交流电机、开关电源、照明电路、牵引传动。目前IGBT是绿色经济领域里的核心技术之一，规范应用于在航空航天、新能源、轨道交通、工业变频、智能电网等领域。IGBT 作为自动控制和功率变换的关键核心部件，是必不可少的功率“核芯”。采用IGBT 进行功率变换，可提升用电效率，提升用电质量，实现30%~40% 的节约能源的效果。即使对传统设备做IGBT 技术改造，平均节电率仍可提升20%。此外，IGBT 还是实现能源转换的关键元件，光伏发电、风力发电、太阳能发电等新能源都要借助IGBT 产品将电能输送到电网中[1-4]。

　　失效IGBT 表面无损伤，万用表测试1、2、3 脚互相短路，X 光透射内部IGBT 芯片金线焊接等无异常，片芯表面有烧毁点（图1），分析内部过电损伤导致失效。

　　对主板失效IGBT 进行开封解析，内部片芯表面有击穿烧痕迹，IGBT 失效均为有源区（active area）受到高能量损坏，分析主要为过电击穿失效，如表1 所示。

　　如图3， 红框部分为PFC 电路整流滤波部分，C401 电容具有滤波和抑制EMI 作用，PFC 主电路部分由PFC 电感L3、IGBT 及快恢复二极管D901 组成。当IGBT 闭合时电感L3 充能，IGBT 断开时电感L3 释放电能。IGBT 应用电路结构图如图3 所示。

　　经过对失效IGBT 器件ESD能力检验测试、极限参数测试分析（极限耐压、SOA安全工作区、开关损耗、）、应用环境、驱动电路设计、整机工作波形分析、热设计分析发现其存在众多不足，总结归纳如下。1）IGBT 栅极ESD水平低，经过对IGBT 栅极ESD水平测试，ST IGBT 栅极ESD 水平平均在3 400 V，最低只有2 900 V， 生产的全部过程易出现静电放电损伤IGBT。ST IGBT 与Renesas、Farichild（ 编者注：2016年被安森美收购）静电能力测试对比结果如表2。

　　2）IGBT 超出绝对最大值发生过电压事件（RBSOA安全工作区）、闩锁效应导致IGBT 失效问题，经过分析与厂家测试有关，厂家测试标准较为宽松，对于离散在边缘位置的一部分物料没有有效筛选剔除，在过负荷环境，在电源质量差环境易出现IGBT闩锁效应导致击穿炸失效，厂家在片芯测试环节没有实施片芯闩锁效应测试筛选。

　　3）IGBT 应用电路设计存在缺陷，在特殊条件下检测有负压存在，在PFC 电路中若IGBT 两端存在负压没有二极管续流会损伤IGBT，导致击穿失效。

　　4）IGBT 栅极耐压测试发现IGBT 及2 个厂家驱动芯片存在一定的差异，东芝IGBT 栅极极限耐压在25~27 V，ST IGBT 栅极极限耐压在24 V，TC4427驱动芯片极限耐压23 V，IR4427 驱动芯片极限耐压25~27 V。TC4427 IGBT 驱动芯片耐压偏低，低于实际应用24 V 稳压二极管工作电压，当栅极电压存在突变波动时，过压冲击将TC4427 芯片击穿，导致24 V稳压二极管实际上没有工作电压。稳压二极管选型不合理，需降低稳压二极管耐压水平。TC4427 IGBT 驱动芯片极限耐压水平在22 V，测试数据如表3。

　　IGBT 驱动电路稳压管选型为24 V，在TC4427 的引脚Vout 上会出现瞬态大电压，在空调机组关闭的瞬间，实际检测IGBT 驱动波形发现最大脉冲电压约为24 V，比TC4427 规格书中的最大值22 V 高出2 V，脉冲电压超过最大值，器件的可靠性或常规使用的寿命可能受影响。稳压管值24 V 是基于保护IR4427 选择的，无法有效保护TC4427。需要改变稳压管值到22 V下，增大稳压管功率，从而有效保护TC4427 免受过压冲击损坏。IGBT 栅极极限耐压测试如图5~ 图6，可见① G-E击穿电压：ST 比东芝明显偏低。② E-G 击穿电压：ST比东芝明显偏低。

　　TC4427 芯片极限电压测试，TC4427 芯片VCC 测试首次出现击穿拐点在18~19 V，随着施加电压增加击穿电压增大，总体测试芯片击穿电压大致范围在21~23 V之间。

　　5）模块散热效率差，散热器使用金属拉丝，表面粗糙度大（0.15 mm），影响模块散热效率，散热器拉丝工艺外貌如图7，需要降低粗糙度。更改散热器铣削工艺。部分IGBT 失效，通过一系列分析为过流烧坏，进一步分析为功率器件散热不良失效，对应IGBT 螺钉锁紧无异常。通过对故障件上匹配的散热器粗糙度进行全方位检查，确认部分使用金属拉丝工艺散热器表面粗糙度较差，轻易造成IGBT 工作过程中局部地区散热效果不佳，温度积聚升高，过热烧毁。

　　6）IGBT 铜板与散热器电气间隙不合格导致烧毁问题，经过分析是硅胶片尺寸设计不合理，员工装配存在一定的差异，在硅胶片贴偏情况下，IGBT 铜板与散热器电气出现间隙不合格击穿烧毁IGBT。IGBT 引脚与散热器凸台有一定间隙，硅胶片未能完全覆盖，IGBT 引脚与散热器凸台电气间隙过小，也存在过电打火隐患。IGBT打火失效如图8 所示，要增加硅胶片尺寸，保证有效电气间隙。

　　1）提升IGBT 栅极ESD 水平，由之前3 400 V 提升至8 000 V。基本杜绝生产的全部过程ESD 损伤IGBT 导致失效问题。ST 新品ESD 水平测试测试数据如表4，AB两个厂家IGBT 栅极ESD 测试对比数据如图9 所示。

　　2）实施汽车级PPAT 筛选测试标准，增加100% 片芯闩锁效应测试，厂家在片芯测试（增加PPAT 测试筛选VTH、BVCES、VCESAT 参数）环节实施片芯闩锁效应测试筛选。PPAT 测试能够消除任何可能离群值或锁存弱点如图10 所示，把离散的有质量可靠性问题物料全部剔除。

　　3）IGBT 内部增加5 A/600 V 续流二极管， 用于防止IGBT 也许会出现的负压，解决IGBT 反向负压导致IGBT 失效问题，提高IGBT 在复杂环境工作的可靠性。

　　4）IGBT 栅极驱动稳压二极管重新选型，将工作电压由24 V 改为20 V。

　　调整前段稳压二极管稳压值，保证工作冗余量。TC4427 芯片极限工作电压大于22 V，实际测试平均工作极限耐压值23 V，IGBT 驱动电路使用稳压二极管为24 V，不能有效驱动IGBT 保护电路，驱动芯片失效，导致IGBT 击穿失效。测试TC4427 芯片（IGBT 驱动芯片）各个批次的极限工作电压大于22 V（符合规格书），普遍小于24 V，分析将线 V 稳压二极管变更成20 V 后，能更好保护电路中的驱动芯片和IGBT，如图11 所示。

　　6）提升散热效率，改变散热器加工工艺，由金属拉丝工艺改为铣削工艺，提高散热器装配面的粗糙度，由0.15 mm 降低0.05 mm，IGBT 散热效率大幅度提升。IGBT 整体温升降低5 ℃。

　　7）硅胶片尺寸加长，更改硅胶片尺寸，杜绝硅胶片尺寸过小造成的IGBT 与散热器接触打火烧毁。比之前加长8 mm，能更好包裹住IGBT 本体底部及IGBT 引脚，防止硅胶片与散热器接触出现漏电，和电气间隙不足导致的打火异常。

　　8）选取低热阻的硅胶片，提高IGBT 散热效率，经过对新物料IGBT 温升及散热效率测试，能够更好的降低温升5 ℃左右。降低IGBT热击穿失效概率，提高IGBT工作可靠性。

　　本文结合大量失效品分析与电路设计分析，对IGBT 失效原因及失效机理分析的根据结果得出：经过对IGBT 失效分析及IGBT 工作电路失效分析及整机相关波形检测、热设计分析、IGBT 极限参数检测对比发现IGBT 失效由多种问题造成，IGBT 在器件选型、器件可靠性、闩锁效应、驱动控制、ESD 能力等方面存在不足，逐一分析论证后，从IGBT 本身及电路设计方面提升IGBT 工作可靠性。