IGBT的芯片结构和失效模式
IGBT
IGBT本文内容包括IGBT的简介，工作原理，失效问题和保护问题分析。
一．简介IGBT是一种新型的电力半导体器件。
现已成为电力电子领域的新一代主流产品。
它是一种具有MOS输入、双极输出功能的MOS、双极相结合的器件。
结构上，它是由成千上万个重复单元（即元胞）组成，采用大规模集成电术和功率器件技术制造的一种大功率集成器件。
IGBT具有其它功率器件不全具备的高压、大电流、高速三大特点。
它既具有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点，又具有双极功率晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。
它是电力电子领域非常理想的开关器件。
【1】二．工作原理IGBT的结构绝缘栅双极晶体管是一种新型电力半导体器件，它集成MOS栅极控制与双极电导调制以获得高的输入阻抗和低得通态电阻，是目前最理想的功率开关器件。
其基本结构有横向型和纵向型两类，对于高压MOS器件，电流横向流动结构的出现早于电流纵向流动结构，但是其单位面积的最大电流较小，导通电阻较大，因而横向型MOS器件难以实现大功率化。
不过，横向器件便于和其它电路相集成，而且它不需要用高阻外延材料，因而其应用也具有一定的广泛性。
IGBT结构上类似于MOSFET，其不同点是IGBT是在N沟道MOSFET的漏极上增加了一个p+基板，形成PN结J，，栅极与源极则完全与MOSFET相似。
由于IGBT 是在N沟道MOSFET的N十基板上加一层P+基板，形成了四层结构，由PNP一NPN 晶体管构成IGBT。
但是NPN晶体管和发射极由于铝电极短路，设计尽量使NPN 晶体管不起作用。
所以可以认为IGBT是将N沟道MOSFET作为入极、PNP晶体作为输出的单向达林顿管。
在NPT-IGBT中:因为背发射极电流中的电子流成分很大，器件关断时，基区存储的大量电子可以通过背发射区而很快清除掉，空穴可以迅速地流向P阱，所以开关时间短，拖尾电流小，开关损耗小。
IGBT的芯片结构和失效模式
IGBT的芯片结构和失效模式IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种功率半导体器件，结合了晶体管和MOSFET的特点，具有高压能力和高速开关能力。
它是现代电力电子领域中最常用的功率开关器件之一、IGBT芯片的结构和失效模式对于了解其工作原理和故障诊断非常重要。
下面详细介绍IGBT 芯片的结构和失效模式。
一、IGBT芯片的结构IGBT芯片由P型绝缘层、N+型主区、N型耗尽区、N-雪崩区、N+型接触区和栅极、封装等多个部分组成。
1.P型绝缘层：P型绝缘层是位于N+型主区与N型耗尽区之间的一个高电势区，承受高电压。
2.N+型主区：N+型主区是一个高掺杂区域，负责主要的电流通道，起到N型区的导电作用。
3.N型耗尽区：N型耗尽区是一个轻掺杂的中间区域，起到隔离N+型主区和N-雪崩区的作用，防止大电流过载。
4.N-雪崩区：N-雪崩区是一个较厚的轻掺杂区域，可承受高电压。
5.N+型接触区和栅极：N+型接触区连接源极和基极，栅极控制IGBT 的导电能力。
6.封装：封装是将芯片保护起来的外层，通常使用陶瓷材料封装，以提供良好的绝缘性能和散热性能。
二、IGBT的失效模式IGBT芯片的失效模式主要包括击穿故障、热失效和电压应力失效。
1.击穿故障：当IGBT芯片承受超过其额定的电压时，可能会发生击穿故障。
击穿故障会导致电流过高，温度升高，进而烧毁芯片。
击穿故障通常与电压应力不均匀、环路感应和过载等因素有关。
2.热失效：IGBT芯片在工作过程中会产生大量的热量，长时间高温会导致芯片内部结构变形、金属焊接断裂、漏电增加等问题。
热失效可能会造成芯片的导通能力下降、损坏等问题。
3.电压应力失效：IGBT芯片在开关过程中会受到电压的应力，电压应力不均匀会导致介电层击穿和边界电场集中。
这些问题可能会导致永久性损坏，如漏电增加、运算速度下降等。
除了上述的失效模式，IGBT芯片还可能发生其他故障，如电流过载、绝缘失效、封装破裂等。
IGBT的芯片结构及其失效模式分析[优质PPT]
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为了获得尽可能低的通态压降，IGBT选用的 硅单晶电阻率及设计的芯片基区宽度都是被控制 在尽可能小的范围，这决定了IGBT的集电极额定 击穿电压并不像工频器件那样可有较大的余量， 因此当IGBT承受的电压超过其额定值时极有可能 造成永久性损坏——电压击穿失效。
当IGBT关断过高的脉冲集电极电流ICM时同 样可能产生较高的集电极电压VCE而产生电压击 穿失效。多数器件制造商推荐的IGBT工作电压 VCE的上限值为80％额定电压。
Gate
Emitter
n+ p
n-
135 µm
n+ p+
collector
– (Infineon 第3) – “T3” – 正温度系数 – “场终止” – 最大结Tj=150°C
SPT-IGBT
Gate
Emitter
n p
n-
135µm
n+ p+
Collector
– (ABB 第1代) – “128” – 正温度系数 – 软穿通 – 最大结Tj=150°C
损坏的原因一般有以下几种： 1、输出短路或输出接地； 2、母线铜牌打火导致浪涌电流； 3、门极控制信号异常（有干扰源或者本身器件损坏）
C、过热失效
故障点位于硅片中心附近,该区域发热严重。
IGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出
IGBT的芯片结构及其失效模式分析
③功率循环与热循环： 过大的温度变化 过频繁的温度变化
3.一些失效案例
A、过压失效
故障点靠近硅片边沿或传感器, 其电场较强。
IGBT芯片耐压环位置损坏严重
IGBT芯片耐压环位置损坏严重
3.一些失效案例 A、过压失效
故障点靠近硅片边沿或传感器, 其电场较强。
综述：IGBT芯片铝线和芯片表面键合位置为绑线点， 当此位置出现类似现象时，可以判定为过电流损坏。 损坏的原因一般有以下几种： 1、输出短路或输出接地； 2、母线铜牌打火导致浪涌电流； 3、门极控制信号异常（有干扰源或者本身器件损坏）
C、过热失效
故障点位于硅片中心附近,该区域发热严重。
IGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出
IGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出
典型过热损坏
IGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出
IGBT芯片表面有熔融的球状物并且底部有锡溢出
综述：IGBT芯片有龟裂或者表面有熔融的球状物，出现此类现象时，可 以判定为过电流损坏。 损坏的原因一般有以下几种： 1、瞬间通过极大电流导致瞬时结温过高； 2、散热不良，或者散热硅脂涂抹不到位； 3、器件本身空洞率过高
D、功率循环疲劳
键合线从硅片脱落。由于热膨胀系数的不同而产 生的应力，导致铝线剥落。
E、热循环疲劳
位于底板和绝缘基片间的焊接层破裂，这是 由于热膨胀系数的不同而产生的应力所导致。
10 9 5 3 4
5.图示9处接钳位二极管的正端 6.图示1处接2管的门极（G级） 7.图示2处接2管的发射极（E级） 8.图示10处接2管的发射极（E级） 9.图示6、7两端接热敏电阻的两端
接线图横
七单元系列
六单元系列
两单元系列
IGBT 功率模块封装失效机理及监测方法综述
1 引言2060 年中国将实现“碳中和”的目标，高效利用绿色能源是实现这一目标的重要途径。
功率模块是实现绿色能源转换的重要部件，绝缘栅门极晶体管( Insulated Gate Bipolar Translator，IGBT) 作为使用频率最高的电源转换芯片，是出现故障频率最高的器件，其失效机理及检测方式被大量研究。
可靠的封装为芯片工作提供稳定的电气连接、良好的绝缘性能和充分的抗干扰能力，是IGBT 功率模块可靠性的重要组成部分。
现在被主流使用的封装形式有焊接型和压接型封装。
两种封装结构在功率密度、串并联能力、制造费用、封装可靠性和散热能力等方面有所不同，其性能对比如图 1 所示。
由于压接型封装具有双面冷却和失效自短路效应，其在散热、可靠性及串联能力上优于焊接型封装，因此被广泛用于高功率密度场合，如高压电网和高功率机械设备，但封装复杂笨重。
焊接型封装结构因其制造工艺简单、成本低和并联能力强被广泛使用在中低功率密度场合，如消费电子、汽车电子。
两种封装结构导致了不同的失效机理，但其本质多是IGBT 芯片工作产生的热量未即时耗散，引起温度梯度，最终导致的封装材料疲劳致使失效。
因此，本文首先对两种IGBT 功率模块封装结构及失效机理进行阐述，然后对IGBT 功率模块封装失效监测方法进行了分析，最后提出IGBT 功率模块封装可靠性及失效监测存在的问题和发展方向。
2 IGBT 功率模块封装结构及失效机理2. 1 焊接型IGBT 功率模块封装结构及失效机理2. 1. 1 焊接型IGBT 功率模块封装结构自1975 年，焊接型IGBT 功率模块封装被提出，便被广泛使用，其典型封装结构如图 2 所示。
其中，直接覆铜陶瓷板( Direct Bonded Copper，DBC)由上铜层、陶瓷板和下铜层组成，其一方面实现对IGBT 芯片和续流二极管的固定和电气连接，另一方面形成了模块散热的主要通道。
欲加入IGBT交流群，加VX：tuoke08。
IGBT的芯片结构及失效模式
IGBT功率模块键合线失效分析与研究随着功率变流技术在航空航天、新能源发电、电动汽车、轨道交通等领域的广泛应用,其在各系统中的核心作用也凸显出来。
在功率变换装置中功率器件是系统中最脆弱的部分,因此,功率器件的可靠性问题受到越来越广泛的重视。
功率器件中常见的是绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolartransistor,IGBT）,因其具有开关速度快、损耗小、驱动电流小、控制电路简单等优势而成为目前应用最为广泛的功率器件。
研究IGBT模块老化、失效的过程,掌握模块失效后内部寄生参数的改变以及引起外部特征信号的变化规律对于模块的失效监测、可靠性的提高及整个装置的安全运行都至关重要。
键合线是IGBT模块中最易发生故障的部位,本文将针对IGBT模块中键合线的可靠性问题,进行理论研究、仿真及实验分析,主要研究内容及创新点如下:首先,以SKM75GB12T4IGBT模块为研究对象,建立其3D模型,在ANSYS仿真软件中对其分别进行电-热场和热-应力场的综合分析,掌握在IGBT模块工作中,键合线的受热及受力情况。
通过子模型分析,了解键合线脱落面积与器件温度的关系,并掌握键合线的热特性对于模块可靠性的影响。
其次,探究键合线脱落对模块中寄生参数的影响,利用精密阻抗分析仪和Ansoft Q3D Extractor软件对模块的寄生参数进行测量和提取,并进行比较验证,得到键合线脱落不同程度后内部寄生参数的变化情况。
在saber软件中搭建仿真电路模型,分析模块中寄生参数对开关波形的影响。
因寄生参数的变化会直接导致外部可测量电信号发生改变,搭建实验电路,得到键合线脱落对外部电信号的影响,并做出规律性分析,为后续研究提供理论依据。
再次,提出了一种考虑IGBT模块内部互连材料等效电阻的影响来精确估计结温的方法。
基于键合线脱落对外部可测电信号的间接影响,选用通态压降V<sub>ce<sub>o</sub>n</sub>作为监测IGBT模块键合线失效的参数,由于V<sub>ce<sub>o</sub>n</sub>同时受到结温T<sub>j</sub>和集电极电流I<sub>c</sub>的影响,利用这三个参数建立键合线失效监测的查找表,使得键合线的失效监测更为精确。
IGBT的失效原理及失效时参数变化规律
IGBT 失效机理分析及参数变化1 过电压失效1．1栅极过压IGBT 的栅极-发射极驱动电压G E U 的保证值为正负20v ，如果在它栅极和发射极之间加上超过保证值的电压，则可能损坏IGBT ，另外，如IGBT 的栅极与发射极间开路，而在其集电极与发射极之间加上电压，则随着集电极电极电位的变化，由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在栅极电位升高，集电极-发射极有电流流过。
这时如集电极和发射极间处于高压状态，可能会使IGBT 发热甚至损坏。
1． 2 集电极-发射极过电压IGBT 集电极-发射极过电压的产生主要有两种情况：一是施加到IGBT 的集电极-发射极间的直流电压过高，另一种是集电极-发射极间的浪涌电压过高。
所以实际使用过程要综合考虑。
1．3 杂散电感过电压因为电路中杂散电感的存在，而IGBT 的开关频率较高，当IGBT 关断时与开通时，就会产生很大的电压/L d i d t ，威胁到IGBT 的安全如图1-1所示出了IGBT 的杂散电感和杂散电容。
IGBT 的外部电感L 主要是指IGBT 直流侧电感，可算得L 对加在IGBT 集射电压的影响为：C E S P d d i U L U d t =+IGBT 杂散电感和杂散电容的示意图其中d U 为直流电压电容，di/dt 为IGBT 的电流变化率。
杂散电感L 产生的电压叠加在d U 上，IGBT 内部是集成电路芯片，耐压能力非常有限，如L 产生的电压较大，超出IGBT 的集电极-发射极间耐压值C E S U ，产生的过电压能轻易地将IGBT 击穿。
图1-2为IGBT 的过电压波形示意图。
IGBT 过电压示意图形IGBT 在关断时，由于电路中存在电感，关断瞬间产生尖峰电压，假如电压超过额器件的最高的峰值电压，将可能造成IGBT 击穿。
2 静电损伤严格来说，器件静电损伤也属于过电压应力损伤，静电型过电应力的特点是：电压较高，能力较小，瞬间电流较大，但持续的时间极短，与一般的过电应力相比，静电型损伤经常发生在器件运输、传送、安装等非加电过程，它对器件的损伤过程是不知不觉的，危害性很大。
IGBT失效时参数变化规律
IGBT失效时参数变化规律IGBT失效时参数变化规律作者：微叶科技时间：2015-12-03 18:031 过电压失效1．1栅极过压IGBT的栅极-发射极驱动电压的保证值为正负20v，如果在它栅极和发射极之间加上超过保证值的电压，则可能损坏IGBT，另外，如IGBT的栅极与发射极间开路，而在其集电极与发射极之间加上电压，则随着集电极电极电位的变化，由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在栅极电位升高，集电极-发射极有电流流过。
这时如集电极和发射极间处于高压状态，可能会使IGBT发热甚至损坏。
1．2 集电极-发射极过电压IGBT集电极-发射极过电压的产生主要有两种情况：一是施加到IGBT的集电极-发射极间的直流电压过高，另一种是集电极-发射极间的浪涌电压过高。
所以实际使用过程要综合考虑。
1．3 杂散电感过电压因为电路中杂散电感的存在，而IGBT的开关频率较高，当IGBT关断时与开通时，就会产生很大的电压，威胁到IGBT的安全如图1-1所示出了IGBT的杂散电感和杂散电容。
IGBT的外部电感L主要是指IGBT直流侧电感，可算得L对加在IGBT集射电压的影响为：IGBT杂散电感和杂散电容的示意图其中Ud为直流电压电容，di/dt为IGBT的电流变化率。
杂散电感L产生的电压叠加在Ud上，IGBT内部是集成电路芯片，耐压能力非常有限，如L产生的电压较大，超出IGBT 的集电极-发射极间耐压值Uces，产生的过电压能轻易地将IGBT击穿。
图1-2为IGBT的过电压波形示意图。
IGBT过电压示意图形IGBT在关断时，由于电路中存在电感，关断瞬间产生尖峰电压，假如电压超过额器件的最高的峰值电压，将可能造成IGBT击穿。
2 静电损伤严格来说，器件静电损伤也属于过电压应力损伤，静电型过电应力的特点是：电压较高，能力较小，瞬间电流较大，但持续的时间极短，与一般的过电应力相比，静电型损伤经常发生在器件运输、传送、安装等非加电过程，它对器件的损伤过程是不知不觉的，危害性很大。
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IGBT芯片门极绑线点有损坏的痕迹
放大后
IGBT芯片门极总线点有损坏的痕迹 综述：IGBT芯片门极绑线点或者门极总线有损坏，出现 此类现象时，可以判定为门极过电压损坏。 损坏的原因一般有以下几种： 1、静电击穿； 2、门极有较大的电压振荡； 3、驱动电路有浪涌信号通过；
D、功率循环疲劳
键合线从硅片脱落。由于热膨胀系数的不同而产 生的应力，导致铝线剥落。
图1.4 IGBT模块构造图
图1.5 IGBT模块封装图
典型三电平主回路拓扑结构
21 8 10 9
34
67 5
1.图示8处插入铜排，引出的为1管 的集电极（C级）
2.图示5处接1管的集电极 2 3.图示4处接1管的门极（G级）
4.图示3处接1管的发射极（E级） 同时为2管的集电极（C极） 同时为钳位二极管的负端
• 2.常见的失效原因 ①过电压：
VCE过电压
*关断浪涌电压 *母线电压上升 *控制信号异常 *外部浪涌电压（雷电浪涌等）
VGE过电压
* 静电 * 栅极驱动回路异常 * 栅极 过电流 栅极电压欠压 极配线开路 开关频率异常增加 开关时间过长 散热不良
IGBT芯片表面有熔融的球状物并且底部有锡溢出
综述：IGBT芯片有龟裂或者表面有熔融的球状物，出现此类现象时，可 以判定为过电流损坏。
损坏的原因一般有以下几种： 1、瞬间通过极大电流导致瞬时结温过高； 2、散热不良，或者散热硅脂涂抹不到位； 3、器件本身空洞率过高
D、门极过电压
故障点位于栅氧化层, 由于栅氧化层几乎分布 在硅片的每个部位，所以故障点可能随机出 现在硅片的任意地方。
Trench4 IGBT
Gate
Emitter
n+ p
n-
125 µm
n+ p+
Collector
– (Infineon 第4代) – “T4” – 正温度系数 – 场终止 – 最大结Tj=175°C – 开关损耗降低30%
3.IGBT芯片的结构和封装流程
IGBT模块的封装工序流程：
芯片和DBC焊接邦线→DCB和铜底板焊接→安装外壳→灌注硅胶→密封→终测
③功率循环与热循环： 过大的温度变化 过频繁的温度变化
3.一些失效案例 A、过压失效
故障点靠近硅片边沿或传感器, 其电场较强。
IGBT芯片耐压环位置损坏严重
IGBT芯片耐压环位置损坏严重
3.一些失效案例 A、过压失效
故障点靠近硅片边沿或传感器, 其电场较强。
综述：IGBT芯片铝线和芯片表面键合位置为绑线点， 当此位置出现类似现象时，可以判定为过电流损坏。
5.图示9处接钳位二极管的正端 6.图示1处接2管的门极（G级） 7.图示2处接2管的发射极（E级） 8.图示10处接2管的发射极（E级） 9.图示6、7两端接热敏电阻的两端
接线图横
七单元系列
六单元系列
两单元系列
二、IGBT常见的失效模式
• 1. IGBT失效机理
和其它任何功率半导体器件一样，IGBT工作 的应用可靠性极大程度上依赖于对结温TJ的控制， 其失效率随结温的递增几乎呈指数递增的关系。 因此,过温失效是IGBT的最重要失效模式。
Gate
Emitter
n+ p
n-
135 µm
n+ p+
collector
– (Infineon 第3) – “T3” – 正温度系数 – “场终止” – 最大结Tj=150°C
SPT-IGBT
Gate
Emitter
n p
n-
135µm
n+ p+
Collector
– (ABB 第1代) – “128” – 正温度系数 – 软穿通 – 最大结Tj=150°C
E、热循环疲劳
位于底板和绝缘基片间的焊接层破裂，这是 由于热膨胀系数的不同而产生的应力所导致。
知识回顾 Knowledge Review
放映结束 感谢各位的批评指导！
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让我们共同进步
损坏的原因一般有以下几种： 1、输出短路或输出接地； 2、母线铜牌打火导致浪涌电流； 3、门极控制信号异常（有干扰源或者本身器件损坏）
B、过流失效
故障点集中于绑定线区域，因为短路电流流向是从背 部的‘C’ 到绑定线部位的'E'.
IGBT芯片绑线点位置损坏严重
综述：IGBT芯片铝线和芯片表面键合位置为绑线点，当 此位置出现类似现象时，可以判定为过电流损坏。
为了获得尽可能低的通态压降，IGBT选用的 硅单晶电阻率及设计的芯片基区宽度都是被控制 在尽可能小的范围，这决定了IGBT的集电极额定 击穿电压并不像工频器件那样可有较大的余量， 因此当IGBT承受的电压超过其额定值时极有可能 造成永久性损坏——电压击穿失效。
当IGBT关断过高的脉冲集电极电流ICM时同 样可能产生较高的集电极电压VCE而产生电压击 穿失效。多数器件制造商推荐的IGBT工作电压 VCE的上限值为80％额定电压。
损坏的原因一般有以下几种： 1、输出短路或输出接地； 2、母线铜牌打火导致浪涌电流； 3、门极控制信号异常（有干扰源或者本身器件损坏）
C、过热失效
故障点位于硅片中心附近,该区域发热严重。
IGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出
IGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出
典型过热损坏 IGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出
IGBT的栅极和MOSFET一样多属于MOS （金属-氧化物-半导体）结构，当栅极引入过电 压时可导致栅氧层的缺陷产生或直接击穿而使 IGBT失效——栅极过电压失效。另外，当IGBT栅 极引入高电压时，集电极电流会跟随变大，关断 这个电流而产生的集电极过电压（VCE）有可能 使集电极产生击穿——栅极过电压引起的集电极 过电压失效。
IGBT内部结构及常见失效 模式
主要内容
一、IGBT的结构 二、IGBT常见的失效模式 三、Q&A
一、IGBT的结构
1.芯片结构和特征
2.IGBT芯片结构的变迁
平面型发展方向： 平面型→沟槽型→软沟槽型
垂直发展方向： 穿透→非穿透→场终止
图1.3 IGBT芯片发展历程
Trench-IGBT