// 講座概述
本系列講座旨在分享功率半導(dǎo)體的原理和相關(guān)應(yīng)用知識(shí)，已發(fā)布的第1-30講主要介紹了功率半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)。從第31講起為大家介紹HVIGBT的一系列相關(guān)知識(shí)，以幫助讀者全面了解HVIGBT的工作原理、特性和正確應(yīng)用方法。
對(duì)于電氣設(shè)備調(diào)試階段以及市場(chǎng)中退回的故障品進(jìn)行器件深入分析，可以幫助我們找到HVIGBT發(fā)生失效的可能原因。由于造成HVIGBT失效的原因很多，通常我們使用故障樹(shù)分析(FTA, Fault Tree Analysis)的方法來(lái)協(xié)助我們快速查找原因，如下表9.1所示：
表9.1 HVIGBT故障分析樹(shù)
首先，我們根據(jù)失效的HVIGBT，初步得到可能的失效原因，按照表9.1所示，從上到下，從左到右依次查找，最終找到失效的原因。同時(shí)，三菱電機(jī)功率器件制作所經(jīng)常通過(guò)設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)功率模塊進(jìn)行故意破壞。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立失效模式數(shù)據(jù)庫(kù)�；跀�(shù)據(jù)庫(kù)，幫助客戶(hù)分析可能的失效原因。
HVIGBT的過(guò)電壓失效包含兩類(lèi)：VCE過(guò)電壓和VGE過(guò)電壓。VCE過(guò)電壓失效的位置在芯片的邊緣處，靠近場(chǎng)限環(huán)。如圖9.1所示。
圖9.1 VCE過(guò)電壓失效
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HVIGBT在關(guān)斷時(shí)，由于電路回路中存在雜散電感，關(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓，如果尖峰電壓超過(guò)HVIGBT的額定電壓，將可能造成HVIGBT擊穿損壞。
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關(guān)斷電阻選擇過(guò)小，小于HVIGBT的規(guī)格書(shū)推薦值。
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吸收電路不合理，吸收電路未能有效抑制HVIGBT關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰，反而增大電壓尖峰。
VGE過(guò)電壓失效的位置在柵極絕緣區(qū)域。破壞部位可能位于芯片任意部位，因?yàn)闁艠O氧化層幾乎覆蓋了整個(gè)HVIGBT芯片的表面。如圖9.2所示。VGE過(guò)電壓失效點(diǎn)在IGBT硅片表面并不明顯，圖9.2是用顯微鏡觀測(cè)到的。
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驅(qū)動(dòng)電路電源電壓異常。
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靜電擊穿。由于IGBT柵極為MOSFET結(jié)構(gòu)，其柵極通過(guò)一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)隔離，其擊穿電壓一般只有20~30V，靜電擊穿是IGBT失效的常見(jiàn)原因之一。
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門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生振蕩。
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受到外來(lái)干擾或者外來(lái)浪涌電壓。
圖9.2 VGE過(guò)電壓失效IGBT在運(yùn)行過(guò)程中，若出現(xiàn)窄脈沖，會(huì)對(duì)IGBT造成較大影響，甚至損壞。主要是因?yàn)閮?nèi)部IGBT在未完全開(kāi)通情況下又重新關(guān)斷，這一過(guò)程產(chǎn)生的di/dt要比正常完全開(kāi)通再關(guān)斷的情況大很多，這個(gè)大的di/dt又會(huì)產(chǎn)生高的關(guān)斷尖峰電壓，所以增大了HVIGBT過(guò)壓失效的風(fēng)險(xiǎn)。圖9.3給出了窄脈沖關(guān)斷和正常關(guān)斷di/dt的對(duì)比波形，可以看到兩者的di/dt和VCE(peak)值相差很大。
(b)正常關(guān)斷
圖9.3 IGBT在窄脈沖關(guān)斷和正常關(guān)斷下的對(duì)比波形
在二極管導(dǎo)通過(guò)程中，若出現(xiàn)窄脈沖，會(huì)對(duì)二極管的反向恢復(fù)過(guò)程產(chǎn)生較大影響。影響之一就是二極管反向恢復(fù)的電壓dv/dt會(huì)比正常反向恢復(fù)要大很多，dv/dt越大，二極管的反向恢復(fù)電壓就越高，增大了過(guò)壓失效的風(fēng)險(xiǎn)。另外一個(gè)影響就是會(huì)導(dǎo)致反向恢復(fù)電流和電壓的振蕩，振蕩會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性并且可能通過(guò)米勒電容反饋到門(mén)極。
圖9.4 dV/dt Vs. ton圖9.4為CM1200HC-66H的二極管導(dǎo)通時(shí)間與反向恢復(fù)電壓dv./dt的關(guān)系，可以看到在導(dǎo)通脈寬小于10us的情況下，dv/dt急劇增大。
過(guò)電流失效的故障點(diǎn)集中于綁定線區(qū)域，因?yàn)殡娏髁飨蚴菑墓杵巢康募姌O到綁定線部位的發(fā)射極，綁定線與硅片的連接處承受很大的熱應(yīng)力而導(dǎo)致該處熔斷。
過(guò)溫失效的故障點(diǎn)靠近芯片中心，因?yàn)樵搮^(qū)域發(fā)熱最嚴(yán)重。
圖9.6 過(guò)溫失效
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散熱設(shè)計(jì)不完善。
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散熱脂涂抹不合理。如果散熱脂涂抹過(guò)薄或者過(guò)厚，會(huì)造成HVIGBT的殼與散熱器的熱阻增大，進(jìn)而影響散熱效果。
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額定工作電流過(guò)大。
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門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓不足導(dǎo)致的飽和壓降上升。流過(guò)相同的集電極電流，門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓越小，HVIGBT的VCE(sat)越大，進(jìn)而損耗越大。
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HVIGBT開(kāi)關(guān)頻率過(guò)大或者過(guò)小導(dǎo)致?lián)p耗增加。
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變流器輸出頻率過(guò)小。由于結(jié)-殼和殼-散熱器的瞬態(tài)熱阻原因，變流器輸出頻率越低(也即通態(tài)時(shí)間越長(zhǎng))，HVIGBT的結(jié)溫波動(dòng)范圍越大，如果最大結(jié)溫超過(guò)最大允許結(jié)溫可能會(huì)導(dǎo)致HVIGBT損壞。
圖9.7為RBSOA失效的內(nèi)部芯片圖，典型特征為貫穿芯片的熔洞。IGBT先失效，二極管二次失效。
圖9.7 RBSOA失效芯片圖圖9.8是CM1500HC-66R在VCC=2500V & IC=6078A的條件下 RBSOA 失效的案例，超過(guò)CM1500HC-66R規(guī)格書(shū)規(guī)定的電流限制是3000A。圖9.9為RRSOA失效的內(nèi)部芯片圖。二極管先失效，IGBT二次失效。
圖9.9 RRSOA失效芯片圖圖9.10是CM1500HC-66R在VCC=2500V & IC=1500A的條件下 RRSOA失效的案例，試驗(yàn)中為了達(dá)到較大的峰值功率，設(shè)置Rg=0Ω，同時(shí)增大母線雜散電感，可以看到反向恢復(fù)電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)3300V。
圖9.10 RRSOA失效波形圖圖9.11為SCSOA失效的內(nèi)部芯片圖。僅有IGBT硅片失效。
圖9.11 SCSOA失效硅片圖
功率器件都有一個(gè)壽命期限，HVIGBT也不例外。由于不同材料之間溫度變化而產(chǎn)生的應(yīng)力是決定功率器件壽命的因素之一。如圖9.12所示，為HVIGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，不同材料的熱膨脹系數(shù)不同。如圖中上面紅色圓圈所示，由于鋁線和硅片熱膨脹系數(shù)不同，模塊工作時(shí)結(jié)溫發(fā)生變化會(huì)導(dǎo)致它們之間產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，這種應(yīng)力循環(huán)積累會(huì)使硅片與鋁綁定線結(jié)合處發(fā)生龜裂而最終導(dǎo)致完全破壞，這種損壞模式稱(chēng)為功率循環(huán)壽命失效。同樣如圖中下面的紅色圓圈所示，由于功率模塊外殼溫度的變化，模塊絕緣基板和底板的膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致它們之間的焊接層發(fā)生應(yīng)力變形，該應(yīng)力變形累積的結(jié)構(gòu)就是焊接層龜裂，使得結(jié)殼熱阻增加導(dǎo)致熱破壞。但是同時(shí)，由于熱阻增加，結(jié)溫變化增加，功率循環(huán)耐受能力降低最終導(dǎo)致跟功率循環(huán)失效相同的綁定線剝離。
圖9.12 HVIGBT剖面構(gòu)造圖功率循環(huán)壽命的損壞點(diǎn)為綁定線和硅片之間連接點(diǎn)。功率循環(huán)壽命損壞的初期表現(xiàn)是連接點(diǎn)的開(kāi)裂。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，最終綁定線會(huì)從硅片上脫落下來(lái)。如圖9.13所示。
圖9.13 功率循環(huán)失效功率循環(huán)失效的可能原因主要有以下幾種：
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運(yùn)行過(guò)程中，結(jié)溫變化較大，加速功率循環(huán)壽命損壞
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由于絕緣基板和底板之間焊接層(熱循環(huán)壽命問(wèn)題)的開(kāi)裂，推高運(yùn)行結(jié)溫，加速功率循環(huán)壽命損壞
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長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，超過(guò)功率循環(huán)次數(shù)
在功率模塊殼溫變化幅度大的工作模式下，由于絕緣基板和底板的熱膨脹系數(shù)不同，絕緣基板和底板之間的焊接層將產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力的累積將會(huì)使焊接層產(chǎn)生裂紋。這種失效模式稱(chēng)為熱循環(huán)失效。熱循環(huán)壽命的損壞點(diǎn)為絕緣基板和底板之間焊接層。熱循環(huán)壽命失效的初期表現(xiàn)是該焊接層從邊緣部分的開(kāi)裂，并逐步向焊接層的中央發(fā)展。如圖9.14所示。三菱電機(jī)認(rèn)為當(dāng)開(kāi)裂比例大于50%時(shí)，該HVIGBT的熱循環(huán)壽命已經(jīng)到期，器件已經(jīng)損壞。
圖9.14 熱循環(huán)失效圖9.15顯示了某HVIGBT在長(zhǎng)期運(yùn)行后焊接層開(kāi)裂的狀況。該圖是使用超聲波掃描顯微鏡(SAT, scanning acoustic tomography)得到的。其中，紫色三角為已經(jīng)開(kāi)裂部分。由于器件發(fā)熱的不均勻和焊接層自身的差異，開(kāi)裂程度并不完全一致。另外，由于該焊接層的開(kāi)裂也會(huì)影響硅片的散熱，推高硅片的運(yùn)行結(jié)溫，加速HVIGBT的功率循環(huán)壽命損壞。
圖9.15 某HVIGBT在長(zhǎng)期運(yùn)行后焊接層開(kāi)裂狀況
HVIGBT模塊的安裝請(qǐng)參考本書(shū)第10章相關(guān)內(nèi)容，安裝不當(dāng)可能會(huì)造成損壞。在生產(chǎn)安裝過(guò)程中可能存在以下安裝不當(dāng)?shù)男袨椋?/section>
(1) 導(dǎo)熱硅脂涂抹不均勻，涂抹量過(guò)少或者過(guò)多。如果硅脂涂抹不當(dāng)，會(huì)造成HVIGBT底板與散熱器之間的熱阻增大(請(qǐng)參考10.2.1相關(guān)內(nèi)容)，增加HVIGBT模塊過(guò)溫失效的風(fēng)險(xiǎn)。
(2) 安裝螺絲太長(zhǎng)或者太短。如圖9.16所示，過(guò)長(zhǎng)的螺絲可能會(huì)導(dǎo)致封裝破損或者電氣短路。過(guò)短的螺絲會(huì)造成接觸不良和熱應(yīng)力集中。
圖9.16 過(guò)長(zhǎng)的螺絲損壞IGBT(3)安裝螺絲的扭矩沒(méi)有按照推薦的扭矩。會(huì)導(dǎo)致接觸不良和應(yīng)力集中。
圖9.17 低扭矩導(dǎo)致應(yīng)力集中
在實(shí)際應(yīng)用中，HVIGBT的電壓沒(méi)有超過(guò)其額定電壓，但是仍然有失效的情況，LTDS(Long Term DC Stability)失效是其中的一種可能原因。HVIGBT在高壓條件下工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)宇宙射線輻射引起的失效，屬永久失效。通常這種失效的失效點(diǎn)是隨機(jī)的，但是在大多數(shù)情況下，失效點(diǎn)是靠近硅片的邊緣區(qū)域，如下圖所示：
圖9.18 LTDS失效宇宙射線一般來(lái)講，指的是來(lái)自于宇宙中的一種具有能量的帶電粒子流。宇宙射線帶來(lái)的失效率會(huì)隨著使用電壓、溫度、輻射度、海拔以及經(jīng)緯度有關(guān)。HVIGBT的集電極和發(fā)射極之間的電壓越高，或者海拔越高，由宇宙射線引起的失效率越高。相反，溫度越高，由宇宙射線引起的失效率越低。
圖9.19 CM1600HC-34H的LTDS曲線圖9.19給出了CM1600HC-34H的LTDS曲線，紅色為海拔4000米的曲線，黑色為海平面的曲線。從圖中可以看出，在直流電壓1100V時(shí)，海拔為海平面時(shí)失效率為20FIT，海拔為4000米時(shí)，失效率為200FIT。如果希望還海拔4000米處維持相同的失效率，需要將直流母線電壓降至1030V。
