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华科智源-IGBT典型失效特征分析-IGBT动静态测试仪

2021-03-04 15:39:39

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华科智源-IGBT典型失效特征分析-IGBT动静态测试仪

1 引言

  绝缘栅双极晶体管(IGBT)是由功率MOSFET和双极晶体管(BJT)复合而成的一种新型的电力半导体器件,它集两者的优点于一体,具有输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、速度快及工作频率高等特点,成为目前最有应用前景的电力半导体器件之一[1]。在轨道交通、航空航天、新能源、智能电网、智能家电这些朝阳产业中,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,能够提高用电效率,提升用电质量,实现节能效果,在绿色经济中发挥着无可替代的作用。但由于轨道交通、新能源等领域应用工况复杂,在使用中常会碰到IGBT被损坏的问题,本文搜集、整理、列举了大量应用中典型的失效案例,分析了IGBT典型失效特征及引起失效的原因,供大家参考。

  2 国内外IGBT发展现状

  根据市场调研机构Yole的调查报告显示,目前全球IGBT市场已回归到稳步上升的轨道,市场规模在随后的几年时间内将继续保持稳定的发展速度,市场规模至2018年将达到60亿美元的数值。在产品分布上,虽然600~900V的IGBT是目前市场上的主流产品,但伴随着轨道交通、再生能源、工业控制等行业市场在近几年内的高速成长,对更高电压应用的IGBT产品提出了强烈的需求。

  在市场驱动下,国内外公司纷纷加大对IGBT产业的投入。国外研发IGBT器件的公司主要有英飞凌、ABB、三菱、西门康、日立、富士、TOSHIBA、IXYS和APT公司等,其IGBT技术基本成熟,已实现了大规模商品化生产,IGBT产品电压规格涵盖600V-6500V,电流规格涵盖2A-3600A,形成了完善的IGBT产品系列。其中,西门康、仙童(fairchild)等企业在1700V及以下电压等级的消费级IGBT领域处于优势地位;ABB、英飞凌、三菱电机在1700V-6500V电压等级的工业级IGBT领域占绝对优势,3300V以上电压等级的高压IGBT技术更是被英飞凌、ABB、三菱三家公司所垄断,它们代表着国际IGBT技术最高水平。

  近年来,我国受高铁、新能源等领域的投资规模提振,具有自主知识产权、本土化的IGBT产业链在不断完善,但不可否认,IGBT芯片设计制造技术、IGBT模块封装设计制造技术、IGBT模块可靠性与失效分析技术、IGBT测试技术等IGBT产业核心技术仍掌握在发达国家相关企业手中。目前,国内还没有完全掌握IGBT芯片、封装、测试和应用全系列技术的厂商,大部分IGBT及其配套产品,尤其是高压大功率IGBT产品基本依赖进口,市场通常供不应求,在交货周期和采购价格上完全受制于国外公司,使我国电力电子装备产业存在潜在风险。国内IGBT企业需要在产品系列化和产品创新力方面不断提升,尽快建成我国IGBT全创新链与全产业链。

  3 IGBT模块失效特征分析

  本文的研究基于中国北车现有动车组技术平台、大功率交流传动电力机车技术平台及大功率交流传动内燃机车技术平台,参考了国内外文献,通过对大量试验和应用数据的搜集、统计、整理,我们发现了一些典型的IGBT模块失效案例,并对其进行了失效特征分析,具体如下:

  3.1 过压失效

  (1)集-射极过压失效

  失效位置发生在有源区的边缘处,如图1(a)所示。可见,芯片表面靠近内侧保护环处有小面积轻微烧损。发生失效的条件:一是芯片击穿电压不满足要求,或者芯片的击穿电压发生退化;二是IGBT工作时发生异常,导致芯片承受的电压超过其可以承受的额定击穿电压。

  (2)栅-射极过压失效

  失效位置发生在栅极与发射极隔离区,如图1(b)所示。失效特征表现为芯片表面栅极与发射极隔离区上有熔点。发生失效的条件:一是芯片栅极氧化层质量差,耐压不满足要求,或者芯片的栅极氧化层耐压发生退化;二是工况导致栅极过电压或电路产生栅极震荡。

  

 

  3.2 过流失效

  (1)短路失效

  失效位置发生在IGBT有源区(不含栅极),如图2所示。失效表现为模块中多个IGBT 芯片同时严重烧毁。发生失效的条件:一是芯片短路安全工作区不能满足系统设计要求,或者短路安全工作区发生退化;二是工况发生异常,IGBT回路出现短路且IGBT未能及时被保护;三是半桥臂出现短路(IGBT或续流二极管),导致另一半桥臂IGBT被短路,发生短路失效;四是工作环境温度升高,导致芯片结温升高,短路安全工作区范围变小;五是控制信号问题,导致IGBT误开关,引起(桥臂)短路失效。

  (2)过电流脉冲引起的失效

  失效位置通常发生在IGBT有源区(不含栅极)键合点周围,如图,3所示。失效表现为键合点周围芯片表面有烧损,一般键合线没有完全脱落。因为电路中有效功率较低,过电流脉冲引起的损坏没有短路时的严重。失效发生条件:一是由于触发问题,导致IGBT芯片突然流过一个峰值较大的电流脉冲;二是续流二极管反向恢复电流、缓冲电容的放电电流及噪声干扰造成的尖峰电流等产生的电流脉冲,这种瞬态过电流同样可能引起IGBT失效。

  

 

  3.3 过热失效

  失效位置通常产生在芯片表面,如图4所示。失效表观为芯片表面喷涂的聚酰亚胺层起泡或芯片、焊料部分被烧熔。这是由于模块工作时产生的热损耗热量无法及时排出,导致芯片温度过高。发生失效的条件:一是冷却不足(冷却板温度过高);二是实际使用中开关频率过高,或电流过高;三是装配时由于导热硅脂涂敷不均、涂敷方法不当、模块及冷却板平整度等不能满足要求,导致模块接触热阻过大。

  

 

  3.4 超RBSOA的失效

  失效位置通常发生在有源区(不含栅极),与过电流脉冲引起的失效和短路失效主要区别在于,超RBSOA的失效通常不在键合点上,且损坏面积较小,经常伴有贯穿芯片的熔洞,如图5所示。芯片表面无键合点区域内存在贯穿整个芯片熔洞,这是由于芯片功耗超出所允许的RBSOA范围,导致芯片局部损坏。

  失效发生条件:一是工况超过IGBT额定的RBSOA工作区间(电流或电压);二是控制不当导致芯片超出其RBSOA范围,或者芯片的RBSOA发生退化;三是模块温度升高,RBSOA范围减小。

  

 

  3.5 机械应力原因引起的失效

  失效位置通常发生在陶瓷基板上,如图6所示。失效表现为陶瓷基板上有裂痕。失效原因是安装产生的强应力导致陶瓷基板破裂。发生失效的条件:一是导热硅脂涂抹不均匀(如图7所示),使得底板和散热器的接触不在同一个平面,在紧固时产生应力导致陶瓷基板破裂,二是紧固力和紧固顺序不合适,在陶瓷基板上产生应力,导致陶瓷基板破裂;三是模块在搬运或应用过程中受到强外力的影响。

  

 

  

 

  3.6 失效部位与其机理的对应关系

  根据上述分析可知,不同的失效机理引起的失效位置不同。过压包括产品自身的设计弱点、或使用时超过额定电压及钝化层的长期稳定性差等,引起的失效均起始于边缘;过流包括通过器件的平均电流过高、浪涌电流及短路电流。由过流引起失效均位于有源区,只是平均电流过高引起的熔区面积较大,尺寸超过几个mm2;由浪涌电流引起的熔区稍小,尺寸约1 mm2;短路电流导致发射区的大面积烧毁。超RBSOA引起的失效,通常位于栅极以外的有源区,但不在键合点上,且损坏面积较小,经常伴有贯穿芯片的熔洞。此外,动态效应(包括续流二极管的动态雪崩与IGBT的动态闩锁等)引起的二极管损坏,微孔直径一般小于100mm,动态雪崩引起的裂缝起始于晶格,动态闩锁导致IGBT直接损坏[2]。

  4 结束语

  本文首先介绍了国内外IGBT发展情况及应用前景,结合大量的试验和应用数据,对IGBT模块失效的典型现象进行分析,得出了引起IGBT过压、过流、过热、超过RBSOA等失效的典型特征,可为IGBT用户进行IGBT失效分析提供参考。
        华科智源,针对IGBT失效情况,,提供电力电子相关的大功率分立器件测试仪IGBT测试仪变流器IGBT测试仪牵引系统IGBT测试仪半导体参数图示仪
IGBT动态参数测试仪、MOS管动态参数测试仪、IPM测试仪、雪崩耐量测试仪、浪涌测试仪等功率半导体测试设备。


作者: 深圳市华科智源科技有限公司
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