IGBT失效原因及分析方法

1.IGBT损坏的原因

IGBT在使用过程中，经常受到容性或感性负载、过负荷甚至负载短路的冲击等，可能导致IGBT损坏。IGBT在使用时损坏的原因主要有以下几种情况：

（1）过电流损坏；

1）擎锁定效应。IGBT为复合器件，其内有一个寄生晶体管，在规定的漏极电流范围内，NPN的正偏压不足以使NPN晶体管导通，当漏极电流大到一定程度时，这个正偏压足以使NPN晶体管开通，进而使NPN或PNP晶体管处于饱和状态，于是寄生晶体管开通，栅极失去了控制作用，便发生了锁定效应。IGBT发生锁定效应后，集电极电流过大造成了过高的功耗而导致器件的损坏。

2）长时间过流运行。IGBT模块长时间过流运行是指IGBT的运行指标达到或超出RBSOA（反偏安全工作区）所限定的电流安全边界（如选型失误，安全系数偏小等），出现这种情况时电路必须能在电流到达RBSOA限定边界前立即关断器件，才能达到保护器件的目的；

3）短路超时（>10μs）。短路超时是指IGBT所承受的电流值达到或超出SCSOA（短路安全工作区）所限定的最大边界，比如4～5倍额定电流时，必须在10μs之内关断IGBT，如果此时IGBT所承受的最大电压也超过器件标称值，IGBT必须在更短时间内被关断。

（2）过电压损坏和静电损坏

IGBT在关断时，由于逆变电路中存在电感成分，关断瞬间产生尖峰电压，如果尖峰电压超过IGBT器件的最高峰值电压，将造成IGBT击穿损坏。IGBT过电压损坏可分为集电极-栅极过电压、栅极-发射极过电压、高dv/dt过电压等，大多数的过电压保护电路设计都比较完善，但是对于由高dv/dt所致的过电压故障，在设计上都是采用无感电容或者RCD结构吸收电路，由于吸收电路设计的吸收容量不够，而造成IGBT损坏，对此可采用电压钳位，在集电极-栅极两端并接齐纳二极管，采用栅极电压动态控制，当集电极电压瞬间超过齐纳二极管的钳位电压时，超出的电压将叠加在栅极上（米勒效应起作用），避免了IGBT因受集电极-发射极过电压而损坏。

采用栅极电压动态控制可以解决由于过高的dv/dt带来的集电极-发射极瞬间过压问题，但是它的弊端是当IGBT处于感性负载运行时，半桥结构中处于关断状态的IGBT，由于其反并联二极管（续流二极管）的恢复，使得其集电极-发射极两端的电压急剧上升，而承受瞬间很高的dv/dt，多数情况下该dv/dt值要比IGBT正常关断时的集电极-发射极电压上升率高，由于米勒电容（C_res）的存在，该dv/dt值将在集电极和栅极之间产生一个瞬间电流，流向栅极驱动电路，该电流与栅极电路的阻抗相互作用，直接导致栅极-发射极电压V_GE值的升高，甚至超过IGBT的开通门限电压V_GEth值，出现恶劣的情况就是使IGBT被误触发导通，导致变换器的桥臂短路。

（3）G-E间开放状态下外加主电路电压

在门极-发射极间开放的状态下外加主电路电压，会使IGBT自动导通，通过过大的电流，使器件损坏（这种现象是由于G-E间在开放状下，外加主电压，通过IGBT的反向传输电容C_res给门极-发射极间的电容充电，使IGBT导通而产生的。）。在IGBT器件试验时，通过旋转开关等机械开关进行信号线的切换，由于切换时G-E间瞬间变为开放状态，可能产生上述现象而损坏IGBT器件。另外，在机械开关出现振动的情况下，也存在同样的时间段，可能损坏元件。为了防止这种损坏，必须先将主电路（C-E间）的电压放电至0V，再进行门极信号的切换。另外，对由多个IGBT器件（一组2个以上）构成的装置在进行试验等特性试验时，测试IGBT器件以外的门极-发射极间必须予以短路。

（4）机械应力对产品的破坏

IGBT器件的端子如果受到强外力或振动，就会产生应力，有时会导致损坏IGBT器件内部电气配线等情况。在将IGBT器件实际安装到装置上时，应避免发生类似的应力。如果不固定门极驱动用的印刷基板即安装时，装置在搬运时由于受到振动等原因，门极驱动用的印刷基板也振动，从而使IGBT器件的端子发生应力，引起IGBT器件内部电气配线的损坏等问题。为了防止这种不良情况的发生，需要将门极驱动用的印刷基板固定。

如电气配线用的+、-导体间有高低差时，IGBT器件的端子将处于不断地承受向上拉伸应力的状态，可能导致IGBT器件内部的电气配线断线等问题。为预防此类不良情况的发生加入导电性的衬垫使平行导体间的高低差消失。另外，若出现配线高度位置的偏离，同样会使端子承受很大的拉伸应力或外力，也会出现同样的不良情况。

（5）过热损坏

过热损坏一般指使用中IGBT的结温T_j超过芯片的最大温度限定，目前应用的IGBT器件还是以T_jmax=150℃的NPT技术为主流的，为此在IGBT应用中其结温应限制在该值以下。

2.IGBT模块失效分析

IGBT模块的失效分析就是通过对失效器件进行各种测试和物理、化学、金相试验，确定器件失效的形式（失效模式），分析造成IGBT模块失效的物理和化学过程（失效机理），寻找IGBT模块失效原因，制订纠正和改进措施，以提高它的固有可靠性和使用可靠性，是改进电子产品质量最积极、最根本的办法，对提高整机可靠性有着十分重要的作用。

IGBT模块与使用有关的失效十分突出，它占全部失效IGBT模块的绝大部分；进口IGBT模块与国产IGBT模块相比，IGBT模块固有缺陷引起IGBT模块失效的比例明显较低，说明进口IGBT模块工艺控制较好，固有可靠性水平较高。

（1）与使用有关的失效

与使用有关的失效原因主要有过电应力损伤、静电损伤、器件选型不当，使用线路设计不当，机械过应力、操作失误等。

1）过电应力损伤。过电应力引起的烧毁失效占使用中失效IGBT模块的绝大部分，它发生在IGBT模块测试、筛选、电装、调试、运行等各个阶段，其具体原因多种多样，常见的有多余物引起的桥接短路、地线、电源系统产生的电浪涌，烙铁漏电，仪器或测试台接地不当产生的感应浪涌等。按电应力的类型区分，有金属桥接短路后形成的持续大电流型电应力，还有线圈反冲电动势产生的瞬间大电流型电应力以及漏电、感应等引起的高压小电流电应力；按器件的损伤机理区分，有外来过电应力直接造成的PN结、金属化烧毁失效，还有外来过电应力损伤PN结或触发CMOS电路闩锁后，引起电源电流增大而造成的烧毁失效。

2）静电损伤。严格来说，IGBT模块静电损伤也属于电过应力损伤，但是由于静电型电过应力的特殊性，以及IGBT模块的广泛使用，使得该问题日渐突出。静电型电过应力的特点是：电压较高（几百伏至几万伏），能量较小，瞬间电流较大，但持续时间极短。与一般的电过应力相比，静电型损伤经常发生在IGBT模块运输、传送、电装等非加电过程中，它对IGBT模块的损伤过程是不知不觉的，危害性很大。从静电对IGBT模块损伤后的失效模式来看，不仅有PN结劣化击穿，表面击穿等高压小电流型的失效模式，也有金属化、多晶硅烧毁等大电流失效模式。

3）IGBT模块选型不当。IGBT模块选型不当也是引起失效的原因之一，主要是设计人员对IGBT模块参数、性能了解不全面，考虑不周，选用的IGBT模块在某些方面不能满足所设计的电路要求。

4）操作失误。操作失误也是IGBT模块失效的原因之一，例如，IGBT模块的极性接反引起的烧毁失效等。

（2）IGBT模块固有缺陷引起的失效

与IGBT模块固有缺陷有关的失效原因主要有：表面问题、金属化问题、压焊丝键合问题、芯片键合问题、封装问题、体内缺陷等。在这几种原因中，对IGBT模块可靠性影响较大的是表面问题、芯片键合问题和芯片键合问题引起的失效，它们均带有批次性，且经常重复出现。

1）表面问题引起IGBT模块失效。从可靠性方面考虑，对IGBT模块影响最大的是二氧化硅层内的可动正离子电荷，它会使IGBT模块的击穿电压下降，漏电流增大，并且随着加电时间的增加使IGBT模块性能逐渐劣化，有这种缺陷的IGBT模块用常规的筛选方法不能剔除，对可靠性危害很大。此外，芯片表面二氧化硅层中的针孔对IGBT模块可靠性影响也较大，有这种缺陷的IGBT模块，针孔刚开始时往往还有一层极薄的氧化层，IGBT模块性能还是正常的，还可顺利通过老炼、筛选等试验，但长期使用后由于TDDB效应和电浪涌的冲击，针孔就会穿通短路，引起IGBT模块失效。

2）金属化问题引起IGBT模块失效的主要原因有台阶断铝、铝腐蚀、金属膜划伤等，对于一次集成电路，台阶断铝、铝腐蚀较为常见，对于二次集成电路来说，内部金属膜电阻在清洗擦拭时被划伤而开路失效也是常见的失效模式之一。(www.xing528.com)

3）常见的压焊丝键合问题引起的失效有以下几类。

① 压焊丝端头或压焊点处沾污腐蚀造成压焊点脱落或腐蚀开路。

② 外压焊点下的金层附着不牢，造成压焊点脱落。

③ 压焊点过压焊，使压焊丝颈部断开造成开路失效。

④ 压焊丝弧度不够，与芯片表面夹角太小，容易与硅片棱或与键合丝下的金属化铝线相碰，造成器件失效。

4）最常见的芯片键合问题是芯片粘结的焊料太少、焊料氧化、烧结温度过低等引起的开路现象。芯片键合不好，焊料氧化发黑，导致芯片在“磁成形”时受到机械应力作用后从底座抬起分离，造成开路失效。

5）封装问题引起的失效，常见的有以下几类。

① 封装不好，管壳漏气，使水汽或腐蚀性物质进入管壳内部，引起压焊丝和金属化腐蚀。

② 管壳存在缺陷，使管腿开路、短路失效。

③ 内涂料龟裂、折断键合铝丝，造成IGBT模块开路或瞬时开路失效，这种失效现象往往发生在器件进行高、低温试验时。

6）体内缺陷引起失效。IGBT模块体内缺陷也可引起器件的结特性变差而失效，但这种失效并不多见，而经常出现的是体内缺陷引起器件二次击穿耐量和闩锁阈值电压降低而造成烧毁。

3.IGBT损坏的解决对策

（1）过电流损坏

为了避免IGBT发生锁定效应而损坏，在电路设计中应保证IGBT的最大工作电流应不超过IGBT的I_DM值，同时注意可适当加大驱动电阻R_G的办法延长关断时间，减小IGBT的di/dt。驱动电压的大小也会影响IGBT的锁定效应，驱动电压低，承受过电流时间长，IGBT必须加负偏压，IGBT生产厂商一般推荐加-5V左右的反偏电压。在有负偏压情况下，驱动正电压在10～15V之间，IGBT发射极的电流可在5～10μs内超过额定电流的4～10倍，所以IGBT必须设有驱动负偏压。由于负载冲击特性各不相同，且供电的设备可能发生电源短路故障，所以在设计中采取限流措施对IGBT的电流限制也是必须的，可考虑采用IGBT厂家提供的驱动厚膜电路。如FUJI公司的EXB841、EXB840，三菱公司的M57959AL，57962CL，它们可对IGBT的集电极电压进行检测，如果IGBT发生过电流，内部电路关闭驱动信号。这种办法有时还是不能保护IGBT，根据IR公司的资料，IR公司推荐的短路保护方法是：首先检测通态压降V_CE，如果V_CE超过设定值，保护电路马上将驱动电压降为8V，于是IGBT由饱和状态转入放大区，通态电阻增大，短路电流下降，经过4μs连续检测通态压降V_CE，如果正常，将驱动电压恢复正常，如果未恢复，将驱动信号关闭，使集电极电流减为零，这样可实现短路电流软关断，可以避免快速关断造成过大的di/dt损坏IGBT，另外根据最新三菱公司IGBT资料，三菱推出的F系列IGBT的均内含过流限流电路（RTC电路），如图6-12所示，当发生过电流，10μs内将IGBT的驱动电压减为9V，配合M57160AL厚膜驱动电路可以快速软关断保护IGBT。在逆变桥的同臂支路两个驱动信号必须是互锁的，而且应该设置死区时间（即共同不导通时间）。

图6-12 三菱F系列IGBT的RCT电路

（2）过电压损坏

防止过电压损坏方法有优化主电路的工艺结构，通过缩小大电流回路的路径来减小线路寄生电感；适当增加IGBT驱动电阻R_G使开关速度减慢（但开关损耗也增加了）；设计缓冲电路，对尖峰电压进行抑制。用于缓冲电路中的二极管必须是快恢复二极管，电容必须是高频、损耗小、频率特性好的薄膜电容。这样才能取得好的吸收效果。

IGBT的V_GE的保证值为±20V，加到IGBT上的V_GE若超出保证值，将会导致IGBT损坏，因而在栅极-发射极之间的电压不能超出保证值，此外，在栅极-发射极间开路时，若在集电极-发射极间加上电压，随着集电极电位的变化，由于有漏电流流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过。如果此时在集电极-发射集间处于高电压状态时，可能使芯片发热而损坏。在应用中如果IGBT栅极回路处于开路状态，若在主回路上加上电压，也将导致IGBT损坏，为防止这类损坏情况发生，应在IGBT的栅极、发射极之间接一只10kΩ左右的电阻。

由于IGBT的输入端为MOSFET结构，IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般在20～30V之间。因此因静电而导致栅极击穿也是IGBT失效的常见原因之一。为防止因静电因素造成IGBT损坏，在IGBT应用中应注意以下几点：

1）在测试或安装拆卸IGBT时，手持IGBT组件时，勿触摸IGBT驱动端子部分。当必须要触摸IGBT端子时，要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再触摸。

2）在用导电材料连接驱动端子时，在配线未布好之前不要接上IGBT端子。

3）尽量在底板良好接地的情况下操作。

4）在焊接作业时，焊机与焊槽之间的漏泄容易产生静电压，为了防止静电的产生，应将焊机处于良好的接地状态下。

在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。

（3）过热损坏

可通过降额使用，加大散热器，涂敷导热胶，强制风扇冷却，设置过温度保护等方法来解决过热损坏问题。在安装或更换IGBT时，应十分重视IGBT与散热片的接触面状态和旋紧程度。为了减少接触热阻，最好在散热器与IGBT间涂抹导热硅脂。一般散热片底部安装有散热风扇，当散热风扇损坏或散热片散热不良时将导致IGBT发热，而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查，一般在散热片上靠近IGBT的地方安装有温度感应器，当温度过高时将报警或停止IGBT工作。