IGBT的芯片結(jié)構(gòu)及失效模式ppt課件.ppt

IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)及常見失效模式 1 主要內(nèi)容 一 IGBT的結(jié)構(gòu)二 IGBT常見的失效模式三 Q A 2 一 IGBT的結(jié)構(gòu) 1 芯片結(jié)構(gòu)和特征 3 2 IGBT芯片結(jié)構(gòu)的變遷 4 平面型發(fā)展方向 平面型 溝槽型 軟溝槽型垂直發(fā)展方向 穿透 非穿透 場終止 圖1 3IGBT芯片發(fā)展歷程 5 ABB第1代 128 正溫度系數(shù)軟穿通最大結(jié)Tj 150 C Infineon第3 T3 正溫度系數(shù) 場終止 最大結(jié)Tj 150 C Infineon第4代 T4 正溫度系數(shù)場終止最大結(jié)Tj 175 C開關(guān)損耗降低30 6 IGBT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(jié)構(gòu)和封裝流程 圖1 4IGBT模塊構(gòu)造圖 圖1 5IGBT模塊封裝圖 7 典型三電平主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 8 9 10 1 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(fā)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(fù)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(fā)射極 E級 8 圖示10處接2管的發(fā)射極 E級 9 圖示6 7兩端接熱敏電阻的兩端 2 4 8 3 5 2 1 6 7 9 10 11 12 13 接線圖橫 14 七單元系列 15 六單元系列 16 兩單元系列 17 18 19 二 IGBT常見的失效模式 1 IGBT失效機理和其它任何功率半導(dǎo)體器件一樣 IGBT工作的應(yīng)用可靠性極大程度上依賴于對結(jié)溫TJ的控制 其失效率隨結(jié)溫的遞增幾乎呈指數(shù)遞增的關(guān)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(tài)壓降 IGBT選用的硅單晶電阻率及設(shè)計的芯片基區(qū)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(dāng)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 20 當(dāng)IGBT關(guān)斷過高的脈沖集電極電流ICM時同樣可能產(chǎn)生較高的集電極電壓VCE而產(chǎn)生電壓擊穿失效 多數(shù)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(dǎo)體 結(jié)構(gòu) 當(dāng)柵極引入過電壓時可導(dǎo)致柵氧層的缺陷產(chǎn)生或直接擊穿而使IGBT失效 柵極過電壓失效 另外 當(dāng)IGBT柵極引入高電壓時 集電極電流會跟隨變大 關(guān)斷這個電流而產(chǎn)生的集電極過電壓 VCE 有可能使集電極產(chǎn)生擊穿 柵極過電壓引起的集電極過電壓失效 21 2 常見的失效原因 過電壓 VCE過電壓 關(guān)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(qū)動回路異常 柵極振蕩 與高壓相連 外部浪涌 22 過流 熱失效 散熱設(shè)計不完善短路過電流柵極電壓欠壓極配線開路開關(guān)頻率異常增加開關(guān)時間過長散熱不良 功率循環(huán)與熱循環(huán) 過大的溫度變化過頻繁的溫度變化 23 3 一些失效案例 A 過壓失效 IGBT芯片耐壓環(huán)位置損壞嚴(yán)重 IGBT芯片耐壓環(huán)位置損壞嚴(yán)重 故障點靠近硅片邊沿或傳感器 其電場較強 24 3 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 25 綜述 IGBT芯片鋁線和芯片表面鍵合位置為綁線點 當(dāng)此位置出現(xiàn)類似現(xiàn)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(dǎo)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 26 B 過流失效 故障點集中于綁定線區(qū)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(yán)重 27 28 綜述 IGBT芯片鋁線和芯片表面鍵合位置為綁線點 當(dāng)此位置出現(xiàn)類似現(xiàn)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(dǎo)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 29 C 過熱失效 故障點位于硅片中心附近 該區(qū)域發(fā)熱嚴(yán)重 IGBT芯片有龜裂的現(xiàn)象并且底部有錫溢出 30 IGBT芯片有龜裂的現(xiàn)象并且底部有錫溢出 31 32 典型過熱損壞 IGBT芯片有龜裂的現(xiàn)象并且底部有錫溢出 33 IGBT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(xiàn)此類現(xiàn)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(dǎo)致瞬時結(jié)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 34 D 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(xiàn)在硅片的任意地方 35 IGBT芯片門極綁線點有損壞的痕跡 36 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(xiàn)此類現(xiàn)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 門極有較大的電壓振蕩 3