以下文章來源于星際浮塵，作者晶圓雕芯

IGBT的應(yīng)用可靠性與失效分析

1、可靠性

包括器件固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性問題包括安全工作區(qū)、閂鎖效應(yīng)、雪崩耐量、短路能力及功耗等，使用可靠性問題包括并聯(lián)均流、軟關(guān)斷、電磁干擾及散熱等。

圖1 IGBT的FBSOA

1.1 IGBT安全工作區(qū)（SOA）

正偏安全工作區(qū)（Forward biased SOA，F(xiàn)BSOA）：在管殼溫度為25℃、直流電流和脈沖持續(xù)時間條件下，IGBT開通后的最大額定集電極電流ICmax與開通前和開通期間集-射極電壓UCE及開通期間的最大功耗PCmax決定的區(qū)域。當IGBT工作在單脈沖模式時，ICmax由閂鎖 電流容量設(shè)定，UCEmax由擊穿電壓決定，PCmax由最高允許結(jié)溫Tjm和熱阻所決定。脈沖寬度越寬，導通時間越長，發(fā)熱越嚴重，SOA則越窄。當IGBT工作在直流模式時，則SOA更小，對應(yīng)的ICmax也減小。此時FBSOA只考慮導通功耗，不包括開關(guān)功耗。當IGBT在一定脈寬和占空比下連續(xù)工作時，其安全工作區(qū)邊界應(yīng)根據(jù)瞬態(tài)熱阻曲線來確定。

反偏安全工作區(qū)（Reverse biased SOA，RBSOA）：在規(guī)定條件下，IGBT在關(guān)斷期間短時間內(nèi)能同時承受最大集電極電流ICmax和最高集-射極電壓UCEmax而不失效的區(qū)域。

RBSOA的電流限為最大箝位電感電流ILmax，一般是最大直流額定電流的兩倍。如果UCE上升過快，即du/dt過高，會導致IGBT發(fā)生動態(tài)閂鎖，所以du/dt越高，RBSOA越小。

PT-IGBT的RBSOA比NPT-IGBT更小，PT-IGBT能關(guān)斷的最大箝位電感電流ILmax比NPT-IGBT要小，抗高電壓大電流沖擊和短路能力都不如NPT-IGBT。

圖2 IGBT的反偏安全工作區(qū)

開關(guān)安全工作區(qū)（Switching SOA，SSOA）：器件在開通和關(guān)斷時能安全工作的區(qū)域，兼顧FBSOA和RBSOA兩種狀態(tài)的考慮。RBSOA所指的集電極電流為關(guān)斷時最大箝位電感電流ILmax，而SSOA所指電流為最大脈沖電流ICmax，但在產(chǎn)品手冊中給出的兩者數(shù)值通常是相等的。在IGBT開通時，往往是UCE還沒有降下來，IC就已達到負載電流。在有續(xù)流二極管時，還會達到IC+IRM（IRM為續(xù)流二極管的反向恢復峰值電流），開通過程也存在高壓大電流狀態(tài)。

短路安全工作區(qū)（Short Circuit SOA，SCSOA）：在負載短路條件下和持續(xù)短路時間tSC內(nèi)，由短路電流ISC與集-射極電壓UCE構(gòu)成的、IGBT能再次開關(guān)而不失效的區(qū)域。SCSOA與短路電流的上升率di/dt有關(guān)。di/dt越高，SCSOA越窄。短路時間tSC是指電路在電源電壓 下器件導通后，由驅(qū)動電路控制被測器件的時間最大值。通常要求在總運行時間內(nèi)，IGBT的 短路次數(shù)n不得大于1000次，且兩次短路的時間間隔ti至少為1s。

圖3 IGBT的SCSOA

PT-IGBT短路時間tSC較短，產(chǎn)品手冊一般不給出短路安全工作區(qū)。NPT-IGBT和溝槽柵FS-IGBT通常會給出SCSOA。NPT-IGBT在tSC≤10μs和額定電壓下，其短路電流與額定電流之比ISC/IC≈10；溝槽柵FS-IGBT在tSC≤10μs和額定電壓下ISC/IC=4。

1.2閂鎖電流容量

動態(tài)閂鎖電流容量通常比靜態(tài)閂鎖電流容量要小。

預防發(fā)生閂鎖措施：除了采用防閂鎖的結(jié)構(gòu)設(shè)計盡可能提高IGBT的閂鎖電流容量外，從工藝上考慮，通常將n+發(fā)射區(qū)和p基區(qū)接觸區(qū)短路，或者采用B+注入形成p+深阱區(qū)和p++淺基區(qū)，以減小p基區(qū)的橫向電阻RB，降低接觸電阻，可抑制閂鎖發(fā)生。采用少子壽命控制技術(shù)，可減小少子壽命τp，從而降低pnp晶體管的電流放大系數(shù)αpnp，有利于提高閂鎖電流容量。采用薄柵氧工藝，在保證閾值電壓不變的條件下，減薄柵氧化層厚度tox，可相應(yīng)增大p基區(qū)的摻雜濃度，以減小p基區(qū)橫向電阻，從而提高閂鎖電流。還需考慮襯底材料和制作工藝的均勻性，避免電流集中，提高器件的抗閂鎖能力。在實際應(yīng)用中，應(yīng)嚴格限制IGBT的工作溫度。

1.3雪崩耐量

雪崩耐量與發(fā)生雪崩時的面積和電流分布有關(guān)。雪崩面積越大，雪崩電流分布越均勻，則雪崩耐量越高。

與功率MOSFET相同，通過測量在單脈沖作用下非箝位感應(yīng)開關(guān)（UIS）的雪崩能耗EAS來衡量IGBT的雪崩耐量。在單脈沖UIS條件下，IGBT能否安全工作，由最大允許的雪崩電流IAS及雪崩時間tAS決定。要求由雪崩電流產(chǎn)生的溫升ΔT與器件關(guān)斷時的結(jié)溫Tj之和不能超過最大結(jié)溫Tjm。

提高措施：合理地設(shè)計器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。增加元胞尺寸（平面柵）或柵間距（溝槽柵）、增大雪崩區(qū)的面積，可以提高雪崩耐量。低壓IGBT，結(jié)終端區(qū)面積小于有源區(qū)面積，雪崩發(fā)生在有源區(qū)內(nèi)，電流分布較均勻；高壓IGBT，結(jié)終端區(qū)的面積較大，雪崩發(fā)生在結(jié)終端部分時，雪崩電流分布較集中，其雪崩耐量會下降。溝槽柵結(jié)構(gòu)發(fā)生雪崩的面積比平面柵較小， 故溝槽柵的動態(tài)雪崩耐量比平面柵更低。拖尾電流的大小不同，導致其動態(tài)雪崩耐量也不同。PT-IGBT的雪崩耐量較高，由于溝槽柵FS-IGBT中電場強度呈梯形分布，使雪崩期間芯片內(nèi)部產(chǎn)生的熱量沿縱向分布比較均勻，因而由pn結(jié)耗散相同熱量時引起的溫升較低，而溝槽柵NPT-IGBT中電場強度呈三角形分布，導致熱量集中在芯片頂部pn結(jié)處，故溝槽柵FS-IGBT的動態(tài)雪崩耐量比溝槽柵NPT-IGBT更高。

在制作工藝上，通常在IGBT發(fā)射極接觸處和發(fā)射區(qū)正下方的p基區(qū)進行硼離子注入形成p++淺基區(qū)（稱為UIS注入），在接觸區(qū)挖槽后進行硼離子（B+）注入形成p+區(qū)接觸區(qū)，既可減小接觸電阻，也有利于提高IGBT的雪崩耐量。此外，還需考慮襯底材料和制作工藝的均勻性，均勻性越高，越有利于提高雪崩耐量。

從IGBT使用角度應(yīng)嚴格控制其集-射極之間所加的電壓、開關(guān)回路中的雜散電感，以及集電極電流上升率，避免引起高電壓尖峰導致IGBT進入動態(tài)雪崩。

1.4短路能力

IGBT短路電流值由柵極電壓UGE和跨導gm決定。影響短路能力的因素很多，如飽和電壓、柵極電壓、溫度及器件結(jié)構(gòu)、制作工藝及襯底材料等。短路時間tSC與飽和電壓UCEsat及柵射電壓UGE之間的關(guān)系如圖4所示。隨飽和電壓UCEsat的增大，短路時間增加，說明通態(tài)壓降高的器件，承受短路的時間長，即抗短路能力強。隨柵極電壓的增加，短路電流增大，短路時間縮短。所以在不影響IGBT導通功耗的情況下，適當降低UGE使其不要進入深飽和區(qū)，可降低ISC并增加tSC，有利于提高IGBT抗短路能力。

圖4 短路時間與飽和電壓及柵射電壓之間的關(guān)系

短路電流與柵-射極電壓及結(jié)溫的關(guān)系如圖5所示。隨柵-射極電壓UGE增加，短路電流與額定電流的比值（ISC/IC） 呈線性增大，并且125℃時的ISC/IC值比25℃時明顯下降，這說明高溫下IGBT能夠承受短路的能力下降。

圖5 IGBT短路電流與柵射電壓的關(guān)系

IGBT抗短路能力的大小很大程度上取決于器件的αpnp。αpnp越低，飽和電壓越高，抗短路能力越強。溫度升高，αpnp增大，抗短路能力會下降。由于NPT-IGBT中pnp晶體管的αpnp比PT-IGBT的低，所以其抗短路能力比PT-IGBT高。

提高措施：在器件設(shè)計時，采用盡可能寬的n-漂移區(qū)（即增加pnp晶體管的基區(qū)寬度），或者降低集電區(qū)的摻雜濃度，以降低pnp晶體管的電流放大系數(shù)αpnp。此外，降低元胞的柵源寬度比（WG/WE），也有利于提高器件的抗短路能力。

2、失效分析

IGBT失效主要有以下六種原因：一是過電壓失效，包括柵-射極過電壓和集-射極過電壓；二是過電流失效，包括集電極電流超過額定電流引起的過電流、導通期間的短路電流或浪涌電流；三是過熱失效，由于結(jié)溫過高，超過額定的最高結(jié)溫，導致器件燒毀；四是閂鎖效應(yīng)，包括靜態(tài)閂鎖效應(yīng)和動態(tài)閂鎖效應(yīng)；五是動態(tài)雪崩擊穿；六是熱電載流子倍增。

2.1超SOA失效

超SOA的失效原因主要是發(fā)生閂鎖、動態(tài)雪崩及超過最高結(jié)溫而出現(xiàn)燒毀。超SOA失效與IGBT的開關(guān)電路有關(guān)。

超RBSOA引起的失效，通常位于柵極以外的有源區(qū)，但不在鍵合點上，且損壞面積較小，經(jīng)常伴有貫穿芯片的熔洞。

圖6 超RBSOA引起的失效

2.2過電壓失效

由于集-射極出現(xiàn)過電壓，通過密勒電容效應(yīng)反饋到柵極，引起柵極過電壓。另外，靜電聚積在柵極電容上也會引起柵極過電壓，兩者都會導致IGBT柵氧化層擊穿而失效。

集-射極過電壓失效包括產(chǎn)品自身的設(shè)計弱點、工作電壓超過額定電壓及鈍化層長期穩(wěn)定性差等原因，失效位置位于有源區(qū)的邊緣處，如圖7a所示。芯片表面靠近內(nèi)側(cè)結(jié)終端保護環(huán)處有小面積燒損。柵-射極過電壓失效位于柵極氧化區(qū)，但由于柵極氧化區(qū)分布于整個芯片面，所以失效點在芯片上的相對位置是隨機的。如圖7b所示，在芯片表面柵極與發(fā)射極隔離區(qū)內(nèi)有熔點，如圖7c所示，在芯片表明有源區(qū)內(nèi)有失效點，這都是由于柵氧化層擊穿所致。

圖7 IGBT的過電壓失效

2.3過電流失效

過電流包括平均電流過高、出現(xiàn)浪涌電流或短路電流。過電流引起失效均位于有源區(qū)，因平均電流過高引起的熔區(qū)面積較大，尺寸超過幾毫米；浪涌電流引起的熔區(qū)稍小，尺寸約為1mm；短路電流則會導致發(fā)射區(qū)的大面積燒毀。如圖8a，過電流會導致鍵合線脫落。如圖8b，浪涌電流引起的失效通常發(fā)生在IGBT有源區(qū)鍵合點周圍。由于電路中有效功率較低，過電流脈沖引起的損壞沒有短路時的嚴重，故鍵合線不會完全脫落。發(fā)生這種過電流脈沖失效是由于觸發(fā)問題，導致IGBT芯片突然流過一個峰值較大的電流脈沖；或者續(xù)流二極管反向恢復電流、緩沖電容的放電電流及噪聲干擾造成的尖峰電流等瞬態(tài)過電流。如圖8c，短路失效表現(xiàn)為模塊中多個IGBT芯片同時嚴重燒毀，因為短路電流是從芯片背面的集電極流入正面發(fā)射區(qū)的鍵合點，因此燒毀區(qū)域可能遍及所有鍵合點，使鍵合線脫落。發(fā)生短路是因為芯片短路安全工作區(qū)不能滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，或者短路安全工 作區(qū)發(fā)生退化；或者是工況發(fā)生異常，回路出現(xiàn)短路且IGBT未能及時被保護；或者因半橋臂出現(xiàn)短路，導致另一半橋臂IGBT被短路而發(fā)生短路失效；或工作環(huán)境溫度升高，導致芯片結(jié)溫升高，SCSOA縮小；或是控制信號問題，導致IGBT誤開關(guān)，引起（橋臂）短路失效等。

圖8 IGBT的過電流失效形貌

2.4過熱失效

過熱失效是指IGBT的工作結(jié)溫超過其允許的最高結(jié)溫，導致IGBT永久性損壞。過熱引起的失效位置通常在芯片表面，芯片表面的焊料被燒熔，如圖9a所示；或芯片表面噴涂的聚酰亞胺層起泡如圖9b所示。發(fā)生這種過熱失效是由于實際使用中開關(guān)頻率過高或電流過高，導致功耗增加；或者是由于裝配時導熱硅脂涂敷不均、涂敷方法不當、模塊及散熱器平整度等不能滿足要求，導致接觸熱阻過大，冷卻不足，產(chǎn)生的熱量無法及時散出。

圖9 過熱失效形貌

2.5過機械應(yīng)力失效

過機械應(yīng)力引起的失效通常發(fā)生在陶瓷基板上。發(fā)生過機械應(yīng)力的條件：一是導熱硅脂涂抹不均勻，使得底板和散熱器的接觸不在同一個平面上，在緊固時產(chǎn)生應(yīng)力導致陶瓷基板破裂；二是緊固力和緊固順序不合適，在陶瓷基板上產(chǎn)生應(yīng)力，導致陶瓷基板破裂；三是模塊在搬運或應(yīng)用過程中受到強外力的影響。

圖10 安裝問題造成陶瓷基板破裂

2.6輻射

宇宙射線對二極管、普通晶閘管及GTO等雙極型高壓器件的影響與體內(nèi)局部擊穿有關(guān)，與結(jié)終端的不穩(wěn)定性無關(guān)。高能中子輻照引起位移效應(yīng)導致電阻率增大、少子壽命縮短及遷移率降低。電磁脈沖對pn結(jié)損傷，在pn結(jié)反偏時會引起反向漏電或擊穿，導致pn結(jié)短路。在pn結(jié)正偏時會產(chǎn)生很大感應(yīng)電流，使pn結(jié)出現(xiàn)溫升過高，引起內(nèi)部熱擊穿。

（1）失效率與材料電阻率有關(guān)：單位面積失效率用FIT/cm2來表示（1FIT表示109器件工作1h內(nèi)有一個失效）。對于相同的電壓和n-基區(qū)厚度，NPT型結(jié)構(gòu)所需的電阻率較低，所以失效率較高。這是因為NPT型器件中三角形分布的峰值電場強度Emax所致。

（2）失效率與器件結(jié)構(gòu)的關(guān)系：電壓越高、電阻率越低，S越大，失效率越高。在相同S下，GTO的R/ρ遠比IGBT的要低。這是由于IGBT中含有MOS結(jié)構(gòu)的緣故。

(3）感生電流脈沖引起的失效：IGBT受到宇宙射線中高能粒子的輻照后，會產(chǎn)生濃度很高的等離子體。當器件反偏工作時，這些等離子體在空間電荷區(qū)內(nèi)分離，會引起很高的感生電流脈沖，由此產(chǎn)生很大的功耗而導致器件局部損壞。

對SJ-IGBT宇宙射線引起的失效率與柱區(qū)參數(shù)有關(guān)。采用超結(jié)n-漂移區(qū)靠發(fā)射極側(cè)的電場被有效抑制，使SJ-IGBT體內(nèi)的峰值電場強度降低，大大改善了由宇宙輻射感應(yīng)的擊穿率。

（4）單粒子燒毀：IGBT工作在高溫潮濕、高海拔及粉塵等環(huán)境[如混合動力汽車（HV）]下，由于宇宙射線感生的中子會撞擊MOS柵極，積累的能量會引起單粒子燒毀（Single Event Burnout，SEB）。SEB失效是由于中子感生的電子-空穴對引起IGBT閂鎖所致。

IGBT結(jié)構(gòu)不同，SEB閾值和失效率不同，SEB失效率隨外加電壓呈指數(shù)增加，并且平面柵PT-IGBT、溝槽柵PT-IGBT及溝槽柵FS-IGBT的SEB閾值電壓不同（分別約為580V、700V及1100V），失效率也不同。SEB閾值電壓與n-漂移區(qū)厚度有關(guān)，n-漂移區(qū)越厚，pnp晶體管的電流放大系數(shù)αpnp越低，有利于抑制閂鎖效應(yīng)。因此溝槽柵FS-IGBT的抗宇宙射線能力最強。平面柵PT-IGBT的SEB閾值最低，更易發(fā)生燒毀。

圖11為平面柵PT-IGBT的SEB失效圖。 由圖11a知，SEB使柵極與發(fā)射極鋁線短路。由圖11b知，在n-漂移區(qū)存在許多10μm以下的微晶粒和很大的裂縫。通過采用X射線能譜元素成分分析表明，在硅中形成了樹狀Al結(jié)晶。抑制寄生pnp晶體管的電流放大系數(shù)對改善IGBT因中子感生的SEB破壞很重要。

圖11 SEB導致的芯片表面與剖面的SEM圖像

3、應(yīng)用與發(fā)展趨勢

3.1發(fā)展趨勢

可歸納為以下六代：

第一代：采用硅直拉單晶（CZ）外延片，基于DMOS工藝制造的平面柵穿通型結(jié)構(gòu)。

第二代：采用CZ外延片和精細工藝制作的平面柵PT型結(jié)構(gòu)；

第三代：采用CZ外延片制作的溝槽柵（Trench Gate）PT型結(jié)構(gòu)；

第四代：采用硅區(qū)熔單晶（FZ）制作的平面柵非穿通型結(jié)構(gòu)；

第五代：采用FZ晶片制作的溝槽柵場阻止（FS）型或弱穿通（LPT）型結(jié)構(gòu)，包含注入增強型（如CSTBT）、逆導（RC）及逆阻（RB）結(jié)構(gòu)；

第六代：在第五代基礎(chǔ)上采用更薄的硅片、更精細的元胞結(jié)構(gòu)。

目前，為了實現(xiàn)IGBT低成本和高可靠性的目標，主要通過三個技術(shù)途徑實現(xiàn)：一是采用精細的元胞結(jié)構(gòu)、逐漸減小芯片面積及不斷提高電流密度；二是逐漸減薄芯片厚度；三是逐漸提高芯片最高結(jié)溫。

IGBT發(fā)展可從以下幾個方面來說明：

（1）目前IGBT芯片的最高容量為6.5kV/200A，最高頻率為300kHz。

（2）采用大晶圓片、小芯片面積，可顯著降低IGBT的成本。目前IGBT的晶圓尺寸由最早的4in逐漸擴展到5in、6in及8in，面積放大到原來的2.56倍，對應(yīng)的特征尺寸也由1～2μm減小到0.8μm及0.35μm。芯片面積也大大縮小，如Infineon公司1200V/75A IGBT， 經(jīng)歷六代發(fā)展，芯片的尺寸減小到為原來的25%，飽和電壓由原來的3.5V左右降到1.5V。

（3）采用薄片工藝，可降低通態(tài)功耗，提高IGBT的可靠性。Infineon公司的IGBT從1200V NPT型結(jié)構(gòu)擴展到600V～1.7kV FS型結(jié)構(gòu)。目前，1.2kV IGBT芯片厚度僅為100μm，厚度減薄到原來的45%，2011年已展示出8in、40μm厚的IGBT芯片。

（4）為了降低系統(tǒng)成本，需提高IGBT芯片的最高結(jié)溫。Infineon公司1700V第四代IGBT最高結(jié)溫從150℃提高到175℃，功率密度已經(jīng)從85kW/cm2提高到110kW/cm2。因此，對其中續(xù)流二極管的最高結(jié)溫以及IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)和連接等其他要求也相應(yīng)提高。

（5）IGBT未來將繼續(xù)向大電流、高電壓、低功耗、高頻率、功能集成化及高可靠性發(fā)展，采用大晶圓片，精細元胞圖形、溝槽柵結(jié)構(gòu)、電子注入增強結(jié)構(gòu)及薄片加工工藝，其中最具有挑戰(zhàn)性的是薄片加工工藝。預計到2020年，晶圓尺寸會擴展到12in，1200V IGBT的芯片厚度僅70μm，Si IGBT的最高結(jié)溫會達到200℃。

3.2特點與應(yīng)用范圍

IGBT屬于電壓控制型器件，輸入阻抗高。由于導通期間有少子注入，與功率MOS相比，IGBT導通壓降較低，但開關(guān)速度較慢。在相同的電壓和電流下，IGBT的SOA比功率MOS的稍小，但比功率BJT大。IGBT電壓范圍為（1.2～6.5）kV，遠高于功率MOS，并且IGBT能承受比VDMOS高2～3倍的電流密度。IGBT工作頻率比功率MOS低，但比GTO高3～4倍。600V IGBT的頻率為150kHz，1.2kV的頻率為50kHz。IGBT可用于功率MOS和功率BJT兩者共同的應(yīng)用領(lǐng)域。從5kW的分立器件到500kW的IGBT模塊，在600V～6.5kV電壓、20kHz以上的中頻領(lǐng)域內(nèi)可取代功率BJT、功率MOS及GTO等器件。

獨特的優(yōu)良性能，幾乎應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，包括通信、工業(yè)、醫(yī)療、家電、照明、交通、新能源、航空、航天及國防等諸多領(lǐng)域，尤其是在中電壓、中功率領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，如電機調(diào)速、變頻器、逆變器等電力控制方面，開關(guān)電源、逆變電源、通信電源及不間斷電源等各種電源，汽車點火器、顯示驅(qū)動器、發(fā)動機的動力系統(tǒng)控制，微波爐、洗衣機、電冰箱、空調(diào)等家用電器，太陽電池、風能等新能源及航天領(lǐng)域。