眾所周知，IGBT失效是IGBT應用中的難題。大功率IGBT作為系統中主電路部分的開關器件，失效后將直接導致系統癱瘓。宇宙射線作為一個無法預知的因素，可能就是導致IGBT發生意外故障的關鍵。

一、什么是宇宙射線

宇宙射線（Cosmic ray，或宇宙輻射 Cosmic radiation）是宇宙空間高能帶電粒子流的總稱，分為原生宇宙射線和衍生宇宙射線。

原生宇宙射線又稱初級宇宙（粒子）射線、γ射線，是來自外太空的高能帶電亞原子粒子（次原子粒子，指結構比原子更小的粒子），由宇宙中的輻射源（如超新星爆發或某些矮星）直接發出高能粒子輻射（這里的輻射指粒子的高速運動，不是電磁輻射），這些高能粒子可能會與星際物質碰撞產生二次粒子穿透地球的大氣層和表面，由此產生衍生宇宙射線，也叫次級宇宙（粒子）射線。

宇宙射線由1936年的諾貝爾獎獲得者奧地利物理學家維克托·赫斯在1912年首次發現，人們在地面上探測到的宇宙射線（除初級宇宙射線中微子外）基本都是次級宇宙射線，其中部分粒子對半導體芯片有一定破壞性。

二、宇宙射線導致IGBT失效的機理

研究發現，IGBT等功率半導體器件的失效主要是由宇宙射線中能量超過 10MeV 的中子引發的。

大部分宇宙射線的粒子在通過半導體芯片時，會從硅原子間的空隙中穿過，這種情況不會導致任何芯片損傷。但是小部分粒子會剛好撞上硅原子，如果粒子能力足夠強，硅原子會被撞飛。粒子取代原來硅原子的位置，并且產生出新類型的粒子。

如果芯片處于靜置狀態，沒有加電壓，內部沒有電場，那在芯片內部產生了一個微小的失效點不會導致整個芯片的失效，至少從測試手段來看無法檢測出這種微小的失效點。存儲芯片可能會導致某個字節的信息丟失，但是邏輯器件和功率器件只要不上電是不會損壞的。

但是處于阻斷高壓狀態的功率器件如IGBT，由于內部有電場，粒子撞擊產生的電荷云會被電場放大，在電場的作用下，粒子撞擊會導致阻斷狀態的芯片上出現一個導電的隧道。這個隧道里阻斷電壓被短路從而產生一個非常集中的高密度的短路電流，原本可以承受的耐壓承受不住，在芯片上這個點從縱向破壞，發生擊穿失效。

[1]A.D.Touboul,Microelectronics Reliability 52,2012,P.124–129

[2]C.Findeisen,Microelectronics Reliability 38,1998,P.1335 - 1339

1）宇宙射線損傷的主要類型

1.位移失效

位移失效即位移損傷效應（Displacement Damage effect, DD）指當中子等高能粒子入射到電力器件的內部電路時，它會向靶材晶格原子的原子核方向運動，與原子核發生庫侖碰撞并伴隨有運動能量的傳遞，晶格原子在能量傳遞過程中會發生位移，從而在原位置形成晶格缺陷，又稱為費蘭克爾（Frenkel）缺陷，引起電力器件的電氣性能逐漸退化。一般來說，位移損傷對光電器件的危害較大，對 MOS 器件影響相對較小。

2.電離失效

電離失效即電離總劑量效應（Total Ionizing Dose effect, TID）指高能帶電粒子入射到器件的內部電路中時，可以通過電離過程使得一些束縛電子被從價帶激發到導帶, 在柵氧化層中產生電子空穴對并發生擴散、漂移與復合。而由于電子與空穴的遷移率相差甚遠，從而形成大量未能與電子復合的空穴，最終在Si-SiO2交界處形成界面陷阱電荷，或者在氧化層中形成氧化物陷阱電荷，TID產生氧化物陷阱和界面態陷阱過程如圖所示。而電力器件在空間中遭受輻射總劑量的增加會引起陷阱電荷的累積，進而加劇輻射對電力器件的性能損傷，嚴重時甚至可使器件失靈或燒毀。

圖 TID產生氧化物陷阱和界面態陷阱過程

3.表面失效

表面失效即表面充放電效應。裸露的電力設備表面與周圍環境中等離子體、太陽輻射、高能電子和磁場相互作用會引起電荷在設備表面累積，造成不同電力部件間或者裸露的太陽電池等設備與周圍環境的電勢差逐漸增大，當積累的電勢差超過設備的放電閾值時，會發生一次和二次放電。

一次放電的電壓和釋放的能量均不大，且一般不會產生電弧，因此其影響較小。但二次放電的電壓高、能量大、溫度高，且伴有電弧，會造成太陽電池陣列等電源系統損壞，二極管等高壓電力變換設備燒毀，供電電纜被擊穿等。另外，放電效應還可能與設備周圍的磁場相互作用，進而產生較強的電磁輻射，干擾分布式電力系統的正常運行，如造成太陽電池的帆板驅動機構不能正常工作等。

2）宇宙射線失效的加速因子

宇宙射線失效的加速因子主要包括溫度、電場、海拔高度。IGBT失效模式中會因為過流/過壓/過熱/超SOA導致的偶發失效。

過壓是在任何條件下，接入電壓大于柵極電壓 VGS 引起擊穿，導致 IGBT 失效 。過溫是三相橋臂門極開關瞬態開通不一致的極限情況下引起單管承受所有相電流；或者MOS 管內阻及功率回路抗擾差異，導致穩態不均流；以及晶元與 leadframe、leadframe與 PCB 銅箔之間存在空洞，局部溫升高，引起 IGBT 模塊溫度過高，發生過溫失效。發生過溫失效的直接原因是溫升超過結溫 TSTG 及貯存溫度 TJ。低溫下失效率最高，并且隨著溫度升高失效率降低，這是因為隨溫度的升高雪崩電離率降低，所以結溫不要過低。海拔高度主要是因為越接近地面，大氣層濃度越高，因此接近地面時由于大氣層的吸收作用，有害射線的濃度會比高空要弱。

在實際應用中，宇宙射線失效出現在IGBT或二極管芯片上時，其實很難和動態超安全工作區失效區分識別。IGBT芯片的超出RBSOA失效一般是由于關斷時某個點出現了閂鎖效應，這個點電流密度非常大，會把芯片燒出一個垂直貫穿的洞。而宇宙射線導致的失效中，也是芯片的一個點被短路了，一般功率器件都是連在母線電容上，那電容上的能量就會從芯片上這個短路點持續流過，從而把芯片也燒出一個垂直的洞來。因此失效位置看起來和超出RBSOA是基本一樣的，無法區分，由于RBSOA的概率遠大于宇宙射線失效，所以一般報告都會給出RBSOA的結論。除非沒有電容上的能量擴大最初始的失效點。

圖 宇宙射線失效點落在芯片通流區和場限環位置時的狀態

三、如何測試宇宙射線對IGBT的失效

宇宙射線引起器件失效需符合兩個條件：首先漏電流始終不變直到發生故障， 其次是有一些典型的缺陷，比如在硅芯片上的某處有個小點。通常測試在宇宙射線密集的地方（例如瑞士少女峰山坳 Jungfraujoch）或有粒子光束的地方進行。

測試目的：一、檢查可用器件對宇宙射線的承受能力；二、將這些測試結果與在高度密集的質子束或中子束中的測試結果作比較；三、為將來開發元器件建立起適當的設計規范。

將半導體器件置于質子束和中子束中，可進行類似的測試。中子束的能量光譜與能量以及固定的中子流量成反比（跟宇宙射線中的中子成分一樣）。單能質子束的能量和流量可變，相應比例因數基于中子或質子與硅材料的橫截面的相似性而定。失效率與中子和質子流量成比例表明所失效主要是由宇宙射線的中子成分引起的。下圖是測試裝置位于Sphinx天文臺木屋頂下面、面積為0.7平方米的平臺上試驗，對二極管模塊在宇宙射線中的失效率與在質子束中測試的失效率進行了比較，并且給出了計算的模型。

四、器件與工藝加固

IGBT可以適度減薄柵氧化層厚度；陽極側增加N緩沖層或加大漂移區摻雜；在柵氧化層注氟等。在設計電力電子器件的內部電路時，有以下措施：在滿足工作需要的條件下，盡量選用高頻晶體管和小功率晶體管，使用二極管代替三極管，用薄膜電阻代替擴散電阻，降低晶體管的工作電壓或加大負載側電阻。

設計比較科學的器件，假如廠家設計的1200V或1700V器件，耐宇宙射線的魯棒性會比較好。因為內部設計的電場比較合理，假如同樣遭受宇宙射線的轟擊，這些廠家設計的魯棒性就會比其他廠家強一些。從封裝來看，最近國際友商新出了 2300 V器件，但是目前使用的人不是很多。

客戶端應對宇宙射線的辦法不是很多。首先要小心器件選型，耐壓的余量足夠大，特別是應用在海拔較高的場合。有人提出在變流器上加一個鋁殼或者金屬罩，這是無效的。因為殼最多是鐵殼或者鋁殼，除非用鉛皮，例如醫院照 X-ray醫生穿的鉛服，否則擋不住宇宙射線，所以只能從器件的層面想辦法。

在封裝中需要考慮由于輻射導致的電失效，從一定程度上決定了封裝材料的選擇及其純度。另外，在封裝設計和布局時，輻射屏蔽也是重要的考慮因素。輻射對微電子的影響已經成為阻礙VLSI密度進一步快速提高的重要因素。

來源：功率半導體生態圈

審核編輯：湯梓紅