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IGBT器件基本失效模式及机理

作者: 网络 编辑: 瑞凯仪器 来源: 网络 发布日期: 2020.11.09

    目前,国内外对于IGBT器件失效的研究众多,主要从两方面入手,一方面是考虑器件自身的工作循环,另一方面是考虑器件的实际工况环境,研究表明IGBT失效是由内部工作循环及外部工况同时作用导致的,其失效机理复杂,失效模式主要分为封装类失效及芯片类失效,如图2-2所示。


IGBT器件基本失效模式分类


    一方面IGBT在工作时,通常开关频率高,在持续的功率循环作用下,由于功率损耗,产生出大量热量,在模块内如不能得到及时的散热,继而导致模块内部温度升高。由于IGBT器件主要由各种材料的层结构组成,材料间热膨胀系数(CTE)差异大,器件内部温度升高从而使得材料间产生交变的剪切应力造成热变形。
    另一方面,对于某些IGBT,如用于航天任务的功率电子器件IGBT,所处的工况环境恶劣,同时所经历的任务载荷复杂,其失效维护困难,这一类的IGBT模块除了高密度的功率循环内部工作条件外,同时要承受高低温环境、机械振动及太空辐射等外部环境影响,恶劣的工作环境将加速器件由于工作循环导致的失效影响,如加速IGBT模块由于功率循环热应力导致的疲劳裂纹扩展,振动冲击致使IGBT封装键合线断裂等。
    (1)IGBT器件封装类失效
    为了满足大电流的工程应用需求,IGBT 器件通常由几个IGBT芯片并联封装成一个模块,封装对于IGBT器件来说,至关重要,既要实现器件与外部电路的连通,同时又要保证IGBT器件结构及工作性能的稳定,免受外部环境的机械损伤及空气氧化。IGBT 器件封装类失效可分为两类:与键合线相关的失效、与焊料层相关的失效。
    ①键合线相关失效

    键合引线一般是通过超声波键合工艺,实现与芯片、DBC板的连接,由于工作过程中承受较大的电流负载,其键合点处为IGBT模块的最薄弱环节之一。键合线故障主要包括键合点脱落及键合线断裂,研究表明功率电子器件中键合线失效占器件总失效的70%左右。随着技术发展,用于IGBT键合线的材料特性越来越好,键合线断裂情况很少再发生,因此IGBT键合线故障最主要的失效模式为键合点脱落。键合线脱落如图(a)、(b),由于铝键合线的抗拉极限低,在IGBT正常工作时的功率循环与温度循环下,因电流通过产生的热应力及材料间CTE差异引起的剪切应力,导致键合线与芯片连接处萌生裂纹,在持续的热应力或外部环境如振动冲击影响下,裂纹扩展,进而导致IGBT键合线脱落。


键合引线脱落失效

    键合引线在剪切应力作用下裂纹扩展失效的过程如图2-4 所示,可以看到裂纹萌生的部位产生了应力集中效应,导致靠近裂纹位置的应力(σlocal) 要明显大于其它距离裂纹位置较远的应力(σ),两应力之间存在如式(2-1)所述关系式。图2-4中: a表示当前形成的裂纹长度,r 表示到当前形成裂纹尖部的距离大小。可以看到,σloca 应力随着到裂纹尖部的距离增大而呈现减小趋势,当某一靠近裂纹的位置出现σloca应力大于铝键合引线产生的应力时,裂纹变形将发生扩展,进而导致铝键合引线与IGBT 芯片间发生脱落。同时,如果需要确定裂纹变形区域的宽度,我们可以在式(2-1) 和式(2-2) 中假定σloca=σy,,然后求解即可。

引线脱落扩展示意图

    ②焊料层相关失效

    焊料层主要作用在于连接IGBT器件内部各层材料,在工作期间产生的热循环过程中,由于材料间CTE差异,在材料间产生交变的剪切热应力,焊料层疲劳如图2-5 (a)、 2-5 (b)所示。在上述应力的连续作用下,导致焊料层疲劳老化,萌生裂纹,进而扩展至材料分层,同时由于裂纹及分层的产生,焊料层与各层材料间的接触面积变小,模块热阻增大,IGBT 器件内温度进一步升高,并加速焊料层的失效,循环往复,致使IGBT过热烧毁。另一方面,不可避免的IGBT在制造过程中由于其工艺本身缺陷,其初始状态就具有裂纹或空洞等,这些工艺缺陷在热应力的激发下,同样将导致器件的失效。

焊接层疲劳

    IGBT器件焊料层疲劳的扩展过程与键合引线裂纹扩展类似,如图2-6所示。上图所示热剪切应力作用下,焊料层疲劳裂纹末端产生一个不可恢复区域,同时在热应力作用下,裂纹发生拉长,致使焊料层生成一个包含可恢复变形( △ael )和永久变形( △apl )新的表面。在应力σ去除后,前面形成的可恢复变形将复原,但永久变形部分仍在,致使新生成的表面发生扩展。

焊料层疲劳扩展图

    (2) IGBT器件芯片类失效
    IGBT模块中与芯片相关的失效主要有:电过应力、静电荷放电、离子污染、电子迁移、辐射损伤等。
    ①电过应力
    过电压失效原因主要有两点,一方面由于静电聚积在栅极发射极电容Cge 上引起过压,另一方面为电容米勒效应引起的栅极过压,两者都会使栅氧化层击穿而导致失效。IGBT的过电流失效主要是由于导通期间出现浪涌或发生短路故障时,热电载流子成倍增加,引起过电流的发生,过电流进而导致过电压,过电压又反过来引起过电流,最终导致器件功率损耗增大,结温升高,IGBT芯片发生烧毁。
    ②静电荷放电
    静电放电(Electro-Static discharge, ESD)容易造成IGBT栅氧化层穿透,致使IGBT发生短路失效。但发生静电击穿栅氧化层的器件仍然可以正常工作,且不好监测,只有器件工作一旦时间后,静电失效才会慢慢显现出来,进而严重影响器件的使用性能。
    ③离子污染
    离子污染通常是由器件制造封装过程中引入的灰尘、水汽及其它微小杂质造成的,主要引起IGBT器件发生电流泄露,同时影响器件的输出特性,最终致使器件短路失效。
    ④电子迁移
    电子迁移通常指的是因电流通过,金属导线的组成离子,随电流方向,发生流动,造成金属导线中离子分布不均,局部出现空洞及小丘,从而导致IGBT器件发生短路、断路及参数退化等失效模式。
    ⑤辐射损伤
    航天工况环境的IGBT,由于宇宙辐射的影响,辐射中所含的多种高能粒子与IGBT器件内氧化物结合引起电离,导致器件因参数漂移发生失效。
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