浅谈IGBT失效分析
IGBT失效原因
西门子的SimoDrive功率模块失效分析摘要：本文通过对已损坏的西门子IGBT的研究，详细的分析了西门子IGBT损坏的原因，有IGBT制造过程中工艺问题，也有外围驱动设计不严密的问题。
西门子公司数控系统各挡CNC 中都使用SimoDrive611 变频系统。
SimoDrive611 是西门子各档数控系统中最重要的组成部分，而饲服功率模块和电源模块是SimoDrive611 中的重要部分，但它故障率高、容易损坏，可靠性不如系统中其他部分好。
本文主要针对西门子功率模块失效损坏进行分析。
我们通过对6SN1123-1AA00-0CA1 单轴50A、6SN1123-1AA00-0DA1 单轴80A、6SN1123-1AA00-0EA1 单轴160A 以及6SN1145-1BA0-0BA0 16/21KW 电源模块失效进行分析。
它们共同之处是都使用大功率IGBT 作为输出，而且IGBT 的驱动电路也基本相同。
随着电力电子的快速发展，饲服功率输出部分广泛采用IGBT 晶体管取代GTR 等。
因为IGBT 驱动电路相对简单，几乎可以用TTL 逻辑电路直接驱动，这是它的优点；而它的缺点也很明显，那就是IGBT 晶体管存在所谓擎住效应，正常使用不存在此效应，但使用不当，一旦因过流触发此效应，IGBT 晶体管便为常通，根本不受栅射控制电压控制关断IGBT，直到烧坏。
1 IGBT 失效损坏原因在饲服驱动中，IGBT 总是受感性电机负载的冲击，短时过载等触发的擎住效应是失效损坏的根本原因。
另外IGBT 驱动电路设计的不够严密，使用不合理等，都可能导致IGBT 永久的损坏。
下面进行详细分析。
1．1 过流触发擎住效应导致IGBT 损坏IGBT有一定瞬时抗过流能力，外部控制逻辑也能提供一定保护。
最主要的是IGBT驱动电路保护措施的设计一定要严密。
由于IGBT半导工艺结构上存在一个寄生晶体管，也就是寄存可控硅。
IGBT的理想等效电路如图1所示。
IGBT失效分析与应对
IGBT失效分析与应对IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种功率器件，常用于高压、大电流的应用中。
在使用过程中，可能会出现IGBT失效的情况，需要及时分析原因并采取应对措施。
1.过流：IGBT在工作时承受的电流超过了其额定值，会导致过热失效。
2.过压：过高的电压会导致IGBT击穿，发生瞬态过电流，进而导致失效。
3.温度过高：IGBT在工作时会产生热量，如果散热不良，导致温度过高，会加速器件老化，从而失效。
4.瞬态过电压：IGBT在开关状态切换时会产生瞬态过电压，如果保护措施不足，会导致器件失效。
应对IGBT失效的方法主要有以下几个方面：1.选用适当的IGBT：根据具体的应用场景要求，选择适合的IGBT，能够承受所需的电流和电压。
2.合理设计驱动电路：驱动电路的设计要合理，保证IGBT在开关状态切换时的瞬态过电压得到有效的抑制。
3.加强散热措施：采用散热片、风扇等散热装置，保证IGBT的工作温度不超过额定温度。
4.过电流保护：在电路中添加过电流保护装置，当电流超过预设值时，及时切断电路，保护IGBT不受过流损伤。
5.过压保护：在电路中添加过压保护装置，当电压超过预设值时，及时切断电路，保护IGBT不受过压损伤。
6.减少开关频率：降低IGBT的开关频率，减少器件的工作压力，延长器件的使用寿命。
7.充分测试和检测：在使用IGBT之前，应进行充分的测试和检测，保证器件品质合格。
8.定期维护与检查：定期对IGBT进行检查和维护，包括散热装置的清洁、连接端子的紧固等。
总之，IGBT是一种高性能功率器件，在使用中需要注意合理选择和设计，加强保护措施，定期进行维护和检查，以延长器件的使用寿命，确保系统的可靠性和稳定性。
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功率模块键合线失效分析与研究
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。
功率半导体IGBT失效分析与可靠性
功率半导体IGBT失效分析与可靠性摘要：目前，IGBT是绿色经济领域的核心技术之一，应用于航空航天、新能源、轨道交通、工业变频、智能电网等领域。
作为自动控制和功率转换的关键核心部件，IGBT是不可或缺的功率核心。
利用IGBT进行电能转换，可以提高电能效率和质量，达到30%~40%的节能效果。
即使用IGBT技术改造传统设备，平均节电率仍可提高20%。
此外，IGBT也是实现能源转换的关键部件，光伏发电、风力发电、太阳能发电等新能源都需要使用IGBT产品向电网输送电能。
关键词：主动式PFC升压电路；IGBT；SOA；闩锁效应；ESD；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，分析结果表明：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失效由多种原因导致，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。
一、分析及生效机理1.失效器件无损检测分析。
（1）X-ray透射分析。
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，芯片表面有烧毁点，分析内部过电损伤导致失效。
（2）开封解析。
对主板失效IGBT进行开封解析，内部芯片表面有击穿烧痕迹，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。
IGBT等效电路如图1所示。
图1 IGBT结构描述（3）失效IGBT应用电路。
如图2，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2所示。
图2 IGBT应用电路二、失效原因及失效机理分析经过对失效IGBT器件ESD能力检测、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。
IGBT失效分析
IGBT失效分析IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种重要的功率半导体器件，具有高性能和高集成度的特点，并广泛应用在电力电子设备中。
然而，由于IGBT长期工作在高温、高电压、高电流的环境下，容易出现失效的情况。
本文将对IGBT失效进行分析，重点从热失效、电压失效和电流失效三个方面进行论述。
首先，热失效是IGBT常见的失效形式之一、由于IGBT在工作过程中会产生大量的热量，如果散热不良或者长时间高温工作，会导致IGBT内部温度过高，从而造成失效。
常见的热失效原因包括过大的功率损耗、散热不良以及热应力等。
功率损耗过大会导致IGBT内部温度升高，从而热失效。
散热不良是指IGBT无法将产生的热量迅速散发出去，造成内部温度过高。
热应力则是指IGBT长时间在高温环境下工作，导致器件老化，最终失效。
其次，电压失效是指IGBT承受电压超过其额定值而失效的情况。
IGBT的电压承受能力受到其结构设计和材料特性的限制，如果工作电压超过了其额定值，会导致击穿、损伤甚至烧毁。
常见的电压失效原因包括过高的工作电压、过高的尖顶电压以及过高的幅值电压等。
过高的工作电压意味着IGBT需要承受更高的电场强度，容易导致击穿。
过高的尖顶电压和幅值电压则是指在电压波形上出现过高的尖顶值或幅值，会导致电压应力集中，容易造成失效。
最后，电流失效是指IGBT承受电流超过其额定值而失效的情况。
IGBT的电流承受能力受到其电流密度和结构设计的限制，如果工作电流超过了其额定值，会导致过载、击穿甚至烧毁。
常见的电流失效原因包括过高的工作电流、过高的尖顶电流以及过高的幅值电流等。
过高的工作电流意味着IGBT需要承受更高的电流密度，容易导致击穿。
过高的尖顶电流和幅值电流则是指在电流波形上出现过高的尖顶值或幅值，会导致电流应力集中，容易造成失效。
综上所述，IGBT的失效主要包括热失效、电压失效和电流失效。
热失效是由于功率损耗过大、散热不良或者长时间高温工作而导致的，电压失效是由于工作电压超过额定值而导致的，电流失效是由于工作电流超过额定值而导致的。
IGBT失效分析之都是变压器结电容惹的祸
IGBT 失效分析之都是变压器结电容惹的祸随着人们对电源及电子设备的功能要求越来越高，为各种设备提供电源时需要进行的改动就越来越多。
IGBT 就是其中一种，然而在实际的设计过程中，很多朋友经常会遇到IGBT 莫名其妙失效的情况，为设计造成了不便。
本文就将针对其中的一种情况，也就是变压器结电容相对于电压变化率过大，而导致的耦合电流干扰，最终使IGBT 失效的情况进行分析，并帮助大家理清其中的原理。
IGBT 的集电极电压变化率，取决于与门极间等效电容在驱动电流作用下对应的电压变化率。
当IGBT 门极电压变化到门极电流与工作电流相当的时刻，门极电压将不再变化。
驱动器输出的电流将对门极和集电极之间的等效电容充放电，实现门极电位的变化。
因此这个电位变化过程本身是对应于该条件下对电容的恒流充电过程，其开始和结束都是近似于阶跃性质的。
因此，总体上该干扰电流的函数具有门函数的特征。
对于该干扰电流对电路系统影响的分析。
应该采用类似小波变换的各类分析工具，从瞬时频谱分析的角度去识别那些携带能量较多的瞬时频率分量的特征。
而不应该是采用基于傅氏变换的全时域分析。
原因是这一类全时域分析的结果实质上是在瞬时频域分析结果的基础上，进一步在时间上求平均的结果。
这将导致信号实时特征的畸变和丢失。
不能真实地反映问题。
不管采用何种瞬时频率分析方法都将与宏观上的电流函数特征相接近。
那就是主要的瞬时频率成分存在于门函数周期对应的频率点以上，且较为接近。
同时由于上升下降沿的存在。
在相对较高的频段也含有相当一部分分量。
这就使该干扰电流的主要瞬时频率分量集中在低频和高频两大部分。
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浅谈 IGBT失效分析
摘要：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。
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。
关键词：IGBT；电力半导体；频率；功率
本文研究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，通过对试验和应用数据的搜集、统计、整理，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：
1 过压失效
1.1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。
1.2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。
2 过流失效
2.1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。
2.2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 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。
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。
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。
结语：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。
参考文献：
[1] 亢宝位.绝缘栅双极晶体管(IGBT)的失效.电力电子信息.2010年第1期。