IGBT的芯片结构和失效模式

IGBT本文内容包括IGBT的简介，工作原理，失效问题和保护问题分析。

一．简介IGBT是一种新型的电力半导体器件。

现已成为电力电子领域的新一代主流产品。

它是一种具有MOS输入、双极输出功能的MOS、双极相结合的器件。

结构上，它是由成千上万个重复单元（即元胞）组成，采用大规模集成电术和功率器件技术制造的一种大功率集成器件。

IGBT具有其它功率器件不全具备的高压、大电流、高速三大特点。

它既具有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点，又具有双极功率晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。

它是电力电子领域非常理想的开关器件。

【1】二．工作原理IGBT的结构绝缘栅双极晶体管是一种新型电力半导体器件，它集成MOS栅极控制与双极电导调制以获得高的输入阻抗和低得通态电阻，是目前最理想的功率开关器件。

其基本结构有横向型和纵向型两类，对于高压MOS器件，电流横向流动结构的出现早于电流纵向流动结构，但是其单位面积的最大电流较小，导通电阻较大，因而横向型MOS器件难以实现大功率化。

不过，横向器件便于和其它电路相集成，而且它不需要用高阻外延材料，因而其应用也具有一定的广泛性。

IGBT结构上类似于MOSFET，其不同点是IGBT是在N沟道MOSFET的漏极上增加了一个p+基板，形成PN结J，，栅极与源极则完全与MOSFET相似。

由于IGBT 是在N沟道MOSFET的N十基板上加一层P+基板，形成了四层结构，由PNP一NPN 晶体管构成IGBT。

但是NPN晶体管和发射极由于铝电极短路，设计尽量使NPN 晶体管不起作用。

所以可以认为IGBT是将N沟道MOSFET作为入极、PNP晶体作为输出的单向达林顿管。

在NPT-IGBT中:因为背发射极电流中的电子流成分很大，器件关断时，基区存储的大量电子可以通过背发射区而很快清除掉，空穴可以迅速地流向P阱，所以开关时间短，拖尾电流小，开关损耗小。

IGBT的芯片结构和失效模式IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种功率半导体器件，结合了晶体管和MOSFET的特点，具有高压能力和高速开关能力。

它是现代电力电子领域中最常用的功率开关器件之一、IGBT芯片的结构和失效模式对于了解其工作原理和故障诊断非常重要。

下面详细介绍IGBT 芯片的结构和失效模式。

一、IGBT芯片的结构IGBT芯片由P型绝缘层、N+型主区、N型耗尽区、N-雪崩区、N+型接触区和栅极、封装等多个部分组成。

1.P型绝缘层：P型绝缘层是位于N+型主区与N型耗尽区之间的一个高电势区，承受高电压。

2.N+型主区：N+型主区是一个高掺杂区域，负责主要的电流通道，起到N型区的导电作用。

3.N型耗尽区：N型耗尽区是一个轻掺杂的中间区域，起到隔离N+型主区和N-雪崩区的作用，防止大电流过载。

4.N-雪崩区：N-雪崩区是一个较厚的轻掺杂区域，可承受高电压。

5.N+型接触区和栅极：N+型接触区连接源极和基极，栅极控制IGBT 的导电能力。

6.封装：封装是将芯片保护起来的外层，通常使用陶瓷材料封装，以提供良好的绝缘性能和散热性能。

二、IGBT的失效模式IGBT芯片的失效模式主要包括击穿故障、热失效和电压应力失效。

1.击穿故障：当IGBT芯片承受超过其额定的电压时，可能会发生击穿故障。

击穿故障会导致电流过高，温度升高，进而烧毁芯片。

击穿故障通常与电压应力不均匀、环路感应和过载等因素有关。

2.热失效：IGBT芯片在工作过程中会产生大量的热量，长时间高温会导致芯片内部结构变形、金属焊接断裂、漏电增加等问题。

热失效可能会造成芯片的导通能力下降、损坏等问题。

3.电压应力失效：IGBT芯片在开关过程中会受到电压的应力，电压应力不均匀会导致介电层击穿和边界电场集中。

这些问题可能会导致永久性损坏，如漏电增加、运算速度下降等。

除了上述的失效模式，IGBT芯片还可能发生其他故障，如电流过载、绝缘失效、封装破裂等。

1 引言2060 年中国将实现“碳中和”的目标，高效利用绿色能源是实现这一目标的重要途径。

功率模块是实现绿色能源转换的重要部件，绝缘栅门极晶体管( Insulated Gate Bipolar Translator，IGBT) 作为使用频率最高的电源转换芯片，是出现故障频率最高的器件，其失效机理及检测方式被大量研究。

可靠的封装为芯片工作提供稳定的电气连接、良好的绝缘性能和充分的抗干扰能力，是IGBT 功率模块可靠性的重要组成部分。

现在被主流使用的封装形式有焊接型和压接型封装。

两种封装结构在功率密度、串并联能力、制造费用、封装可靠性和散热能力等方面有所不同，其性能对比如图 1 所示。

由于压接型封装具有双面冷却和失效自短路效应，其在散热、可靠性及串联能力上优于焊接型封装，因此被广泛用于高功率密度场合，如高压电网和高功率机械设备，但封装复杂笨重。

焊接型封装结构因其制造工艺简单、成本低和并联能力强被广泛使用在中低功率密度场合，如消费电子、汽车电子。

两种封装结构导致了不同的失效机理，但其本质多是IGBT 芯片工作产生的热量未即时耗散，引起温度梯度，最终导致的封装材料疲劳致使失效。

因此，本文首先对两种IGBT 功率模块封装结构及失效机理进行阐述，然后对IGBT 功率模块封装失效监测方法进行了分析，最后提出IGBT 功率模块封装可靠性及失效监测存在的问题和发展方向。

2 IGBT 功率模块封装结构及失效机理2. 1 焊接型IGBT 功率模块封装结构及失效机理2. 1. 1 焊接型IGBT 功率模块封装结构自1975 年，焊接型IGBT 功率模块封装被提出，便被广泛使用，其典型封装结构如图 2 所示。

其中，直接覆铜陶瓷板( Direct Bonded Copper，DBC)由上铜层、陶瓷板和下铜层组成，其一方面实现对IGBT 芯片和续流二极管的固定和电气连接，另一方面形成了模块散热的主要通道。

欲加入IGBT交流群，加VX：tuoke08。

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_{ce_on}作为监测IGBT模块键合线失效的参数,由于V_{ce_on}同时受到结温T_j和集电极电流I_c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 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失效时参数变化规律IGBT失效时参数变化规律作者：微叶科技时间：2015-12-03 18:031 过电压失效1．1栅极过压IGBT的栅极-发射极驱动电压的保证值为正负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，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：IGBT杂散电感和杂散电容的示意图其中Ud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Ud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Uces，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工作原理引言：IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种高压、高电流功率开关器件，广泛应用于电力电子领域。

了解IGBT的工作原理对于电力电子工程师和研究人员来说至关重要。

本文将详细介绍IGBT的工作原理，包括结构、工作模式以及关键参数等内容。

一、IGBT的结构IGBT由三个主要部份组成：N沟道MOSFET（NMOS）、P沟道MOSFET （PMOS）和NPN型双极型晶体管（BJT）。

它的结构类似于MOSFET和BJT的结合体。

IGBT的结构如下图所示：[插入IGBT结构示意图]NMOS和PMOS形成为了IGBT的输入端，负责控制电流的流动。

BJT负责放大电流，并在输出端提供高电流能力。

这种结构使得IGBT具有低开关损耗和高电流承载能力的特点。

二、IGBT的工作模式IGBT的工作模式可以分为三个阶段：关断状态、导通状态和关断过渡状态。

1. 关断状态：当控制信号施加在IGBT的输入端时，NMOS和PMOS被驱动进入关断状态。

在关断状态下，IGBT的输入电流极小，输出电流为零。

这种状态下，IGBT的开关损耗最小。

2. 导通状态：当控制信号施加在IGBT的输入端时，NMOS和PMOS被驱动进入导通状态。

在导通状态下，IGBT的输入电流增大，输出电流也随之增大。

这种状态下，IGBT 的开关损耗较大。

3. 关断过渡状态：当从导通状态切换到关断状态时，IGBT会经历一个过渡状态。

在这个过渡状态中，输入电流和输出电流都会有所变化。

过渡状态的时间越短，IGBT的开关损耗越小。

三、IGBT的关键参数了解IGBT的关键参数对于正确选择和应用IGBT至关重要。

以下是几个重要的参数：1. 额定电压（Vce）：IGBT能够承受的最大电压。

在设计电路时，应确保电压不超过IGBT的额定电压，以防止损坏。

2. 额定电流（Ic）：IGBT能够承受的最大电流。

在设计电路时，应确保电流不超过IGBT的额定电流，以防止过载。

收稿日期:1996205220.丘睦钦,男,1940年生,工程师;武汉,华中理工大学固体电子学系(430074).IGB T 器件的一种失效模式及其克服方法丘睦钦　徐彦忠　曹广军　李乃平(固体电子学系)摘　要　由IGBT 器件组成的大功率桥式振荡电路的导通瞬间,如果驱动保护设置不合理,就会有一个十分尖锐的电流峰.结合IGBT 器件结构,分析了造成该电流峰的原因,理论分析的结果与实验测试值相吻合.通过改进IGBT 器件的驱动电路提出了消除电流尖峰的方法.关键词　IGBT ;驱动电路;电流尖峰分类号　TN 322.8 80年代以来,人们在功率M O SFET 的基础上发展出了IGB T (绝缘栅双极晶体管),它兼有M O SFET 和双极晶体管的优点,驱动简单,开关速度高,导通电阻低.因此被越来越多地应用于电力电子装置中[1,2].在电路的应用形式上,往往采用半桥或全桥的电路形式来构成电力电子器件应用的主回路.其中半桥应用于中等功率装置,全桥则多应用于大功率场合.在电路的结构上,功率组件或模块上下对称,利用传统的脉宽调制技术和近年广泛研究的零电压脉宽调制和零电流脉宽调制技术[3,4],使上下臂交替导通,在上下臂的导通转换之间,根据器件的开关特性不同,要保证有一段上下臂皆不导通的死区保护时间,以保证功率器件的安全稳定运行.由于电力电子装置的要求,单个IGB T 器件往往无法满足功率容量的要求,一般采用分离器件并联或者芯片并联组成模块的扩容方法.采用图1所示的电路形式,观察到IGB T 器图1　IGBT 振荡电路及其驱动电路件导通时的尖锐电流峰.本文从分析IGB T 结构的纵向电导载流子输运和储存特性出发,讨论了产生尖锐电流峰的原因.结合器件并联使用的问题分析了该电流机制对并联扩容的限制和从驱动电路的角度进行改进的方法.1　动态特性半桥式脉宽调制逆变电路如图1所示.V +为交流电经整流滤波后的电源输入,L 为高频输出变压器原边,T 1和T 2为IGB T 上下臂.其简要工作过程为:T 1导通时,T 2截止,电流从V +经T 1,L 流向中心点V +2;T 1截止时,T 2导通,电流从中心点经L ,T 2流向地.图2给出了该半桥式脉宽调制逆变电路中图2　逆变电路电流电压波形1996年　11月 J.H uazhong U n iv .of Sci .&T ech . N ov .　1996驱动电压、C点电压和上臂电流的实验波形.根据输出功率的设定要求和负载变化,调整驱动电压A和B的脉宽,从而达到稳定输出的目的.在电流随时间的变化曲线上,上下臂在导通期间的电流面积大小决定输出功率.在图2中还存在一个宽度在n s级但是十分尖锐的电流峰.其峰值是导通期平均电流的数倍以上.此电流峰的存在对于逆变器的安全稳定运行是一个十分大的威胁,因此有必要弄清其原因并且加以克服.图2所给出的结果是测试条件为电源电压30V,主振频率33kH z,测试的电流波形为上臂串联18电阻测得的结果.测试时负载电阻R l≤0.38.输出电流6A.从测试结果可以看出不仅上臂导通时存在一个尖锐的电流峰,而且下臂导通时同样也有一个尖锐的电流峰.在更高的工作电压下,电路的工作情况是一样的.根据图1给出的电路不难看出,电感L上的电流不能突变,尖锐的峰值电流除了电感上的分布电容,电路中的寄生电容和阻容保护回路以外似乎没有其他的来源.阻容保护回路的电阻值大小表明不可能是单纯由此引入的电流峰.进一步分析IGB T器件的结构,并将上下臂结合起来考虑,可以从器件的耗尽层电荷的角度得到很好的解释.2　器件结构内部结构已经有很多文献详细介绍过IGB T的工作原理及其稳态、瞬态特性.IGB T的剖面结构如图3.图3　IGBT器件结构在稳态条件下,电子空穴电流由下式表示:I n=nqΛn A E+qA D n9n 9x;(1)I p=p qΛp A E-qA D p9p 9x,(2)式中,I n为电子电流;n和p代表电子和空穴浓度;A为结区面积;q为电子电荷;E为电场强度;D n和D p为电子和空穴扩散系数;Λn和Λp为电子和空穴迁移率.在反偏条件下,耗尽层的宽度:W=[2ΕSi(V bc+V bi) (qN b)]1 2,(3)式中,ΕSi为硅的介电常数;V bi为内建电势;V bc是外加在集2基极间的电压.按照单边突变结近似,此耗尽层可以看成是一个平板电容,它上面的电荷量是耗尽层的宽度乘上电荷密度.因此其电荷量随不同偏压的变化为:∃Q=qN B∃W.(4) 注意到图1所示半桥式逆变电路,当下管导通时,上管的阻断电压从1 2电源电压上升到电源电压,上管的耗尽层因此要扩展,类似于平板电容充电的过程.考虑到其他寄生电容C pa,下管导通初始阶段的电流应当满足下式:∫t2t1i p(t)d t=qN B∃W+C pa∃V+i L.(5) 由于所关心的时间区间非常短,式(5)中忽略了耗尽层内的载流子产生复合.考察图1电路电感上的电流不能突变,同时寄生电容也不大,上式右边的两项也可以忽略.IGB T器件可以看成一个M O SFET提供基极电流与一个低放大倍数的纵向p np管的复合体.IGB T开通的瞬间首先是M O SFET导通,提供基极驱动电流,然后双极p np管导通.M O S2 FET是多子器件,其导通速度非常快,栅和漏源寄生电容决定了其开通速度,一般在n s级.假定i p(t)为线性变化,可以粗略估算峰值电流,即i pm=2 ∃Q ∃t,(6)式中∃t为M O SFET初期快速导通时间.一般IGB T要获得高的反向阻断电压其基区掺杂不能太高,实验样品基区掺杂浓度4×1020m-3,IGB T 器件外特性标称值是1200V 25A,上下臂各五只并联测试.芯片总面积5mm×50mm.考虑到逆变器工作时下臂导通时刻,上臂所承受的反向阻断电压是从电源电压的一半增加到接近电源电压,本文所介绍的逆变器工作电压为三相电源,整流后电压为580V.从图3所示IGB T结构看,芯片的面积与耗尽层面积有差异,但是由于IGB T 外延层是低掺杂,在本文所介绍的工作条件下耗尽层已经扩展到超过掩盖多晶硅栅极下面的10Λm宽的空间的程度,因此在计算中可以简单视耗尽层面积等于芯片面积.将上述参数代入式(2)～(5),电流峰值与导通时间的关系示于图4.本逆变装置的设定功率为6k W,因此上下臂的平均电流小于15A.为了考察实际的器件开关时86 华　中　理　工　大　学　学　报 1996年图4　电流峰值与开通时间的关系间,将图2所示的工作电压和测得的电流代入式(2)～(5),同时扣除采样电阻上的压降,得到导通时间为11n s 左右.对应的实际工作电压为580V .从图4不难看出正向导通时间10n s 对应的峰值电流就达40A .远远大于平均电流.如果器件或模块中的芯片开关特性有差异,则极其容易引起失效.另一方面,初始导通期间的电流都是从M O SFET 的沟道中流过,过高的电流上升速率,可以引起电子向M O SFET 的薄氧化层发射,导致器件失效.从上述分析可知,并联扩容的功率器件,除考虑工作电流容量,功率容量以外,还必须考虑单个器件和芯片所承受的峰值电流和电子向沟道发射导致的器件失效,必须给单个器件或芯片留下充分的余量.此外从IGB T 器件的驱动方面入手,将d V g d t 控制在合理的范围也可以降低电流的尖峰.从这种思路出发,将图1所示的变压器耦合驱动波形上升沿十分陡峭的驱动方式改变为光耦隔离,上升波形兼顾到IGB T 器件内部载流子工作特性可以克服上升电流的尖锐峰值,增加IG 2B T 的安全工作范围.3　结论用IGB T 器件构成的半桥式逆变器,在开关的瞬间观察到尖锐的电流峰,该峰直接危害器件的安全稳定运行,从关断状态IGB T 耗尽层电荷的积累与释放,解释了该电流尖峰的原因,提出在用单管并联或者是芯片并联模块时,单个器件或芯片必须留有充分的余量.减小d V g d t 也可以降低电流峰,但是要兼顾器件的开关功耗.参考文献1　吴济均.电力半导体器件及其装置的发展趋势.电力电子技术,1994(1):1～62　刘　竹,肖介光.逆变弧焊整流器与现代电力电子器件.电焊机,1992(2):6～103　M etz M ,Roux J ,Doua S B ,et al .N ew Z V S 2P WMInverter Sw itch ing L i m its and Operating A rea .IEEP roceedings B ,1992,139(2):86～954　Kazi m ierczuk M K ,N andakum ar T .C lass D V o ltageSw itch ing Inverter w ith T apped R esonan t Inducto r .IEE P roceedings B ,1993,140(3):177～195The Turn -On Curren t Surge of IGBT D ev ices andIts I m pact on Safe Opera tionQ iu M uqing X u Y anz hong Cao Guangjun L i N a ip ingAbstract A cu rren t p eak w as ob served in a sem i 2b ridge inverter con sisting of IGB T in the conven 2ti onal PWM op erating m ode .T he recharging of the IGB T ’s dep leted regi on is discu ssed and a new driving circu it is p ropo sed to avo id the detri m en tal cu rren t p eak .Key words :　IGB T ;driving circu it ;cu rren t p eakQiu M uq i ng ,　engineer .;D ep t .of So lid 2State E lectron ics ,HU ST ,W uhan 430074,Ch ina .96第11期 丘睦钦等:IGBT 器件的一种失效模式及其克服方法 。

IGBT模块失效机理和主动热控制综述近年来我国综合国力的不断增强，工业的迅猛发展，涌现出大量的工业企业。

随着电力电子装置在新能源发电、交直流输配电系统、轨道交通以及电动汽车领域的广泛使用，功率器件朝着高电压等级、高功率密度趋势发展，因此电力电子装置可靠性成为广泛关注的焦点问题。

根据工业报告统计，功率变流器系统故障约有38%源于功率器件的失效，研究表明绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块失效机理复杂，温度、湿度、振动、灰尘和污染都是影响功率器件失效的直接原因。

IGBT模块是变流器内部最贵重的核心器件，也是最容易失效的部件之一，对于电力电子器件的使用寿命要求很少在10年以下，有的甚至要求达到30年。

尤其是海上风电系统，所处地理位置偏远，运行环境较为恶劣，检修非常不便，而由功率器件引起的故障占风电机组故障的比例最高。

因此，研究功率器件失效机理，是设计高可靠性电力电子变换器的必要环节，这对从事电力电子科研和相关工程技术人员也非常重要。

本文就IGBT模块失效机理和主动热控制展開探讨。

标签：IGBT模块;失效机理;主动热控制引言电力电子设备因其能量转换效率高、主动可控性和较快的动态响应速度等优点，广泛应用于对于可靠性需求较高的新能源发电、航空航天、高速机车牵引、混合动力电动汽车和工业电机驱动等领域中。

在这些场合应用时，电力电子设备会面临各种或规律或不规律的功率大波动以及各种周期或非周期性的强机械振动等极端工况，相关统计表明，在光伏发电系统中计划外的检修有37%是由变流器故障引起的。

而在变流器中功率器件常被列为最易失效的部件，同时根据调查，在工业中最常用的功率器件是IGBT。

1功率模块结构组成功率模块主要由表贴型功率器件、陶瓷覆铜板、承载底板、引线端子等构成。

陶瓷覆铜板上的铜箔层为表面贴型功率器件和引线端子提供电气连接，而陶瓷层则保证电气绝缘。

承载底板选择与陶瓷覆铜板材料特性相似的AlSiC基板，为功率模块提供机械安装和导热界面。

IGBT工作原理引言：IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种高性能功率半导体器件，广泛应用于电力电子领域。

本文将详细介绍IGBT的工作原理，包括结构、工作模式和特性等方面。

一、结构：IGBT由PNP型双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）和MOSFET （Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）结合而成。

其结构包括N型衬底、P型衬底、N+型区域、P+型区域、N-型区域、P-型区域、漏极、源极、栅极等。

二、工作模式：IGBT有三种主要的工作模式：关断状态、导通状态和饱和状态。

1. 关断状态：当栅极电压为零时，IGBT处于关断状态。

此时，栅极和漏极之间的二极管为正偏，无法导通电流。

2. 导通状态：当栅极电压大于临界电压时，IGBT处于导通状态。

此时，栅极电压引起P-型区域中的电子和空穴重新组合，形成导电通道，使得电流从漏极流向源极。

3. 饱和状态：当IGBT处于导通状态时，如果继续增加栅极电压，IGBT将进入饱和状态。

在饱和状态下，IGBT的电流增益几乎不变，电压降低。

这使得IGBT能够在低电压下维持较大的电流。

三、特性：IGBT具有许多优点，使其成为电力电子领域的理想选择。

1. 高电压能力：IGBT能够承受高电压，通常可达数千伏。

2. 高开关速度：由于结构上的优化，IGBT具有较高的开关速度，可实现快速开关操作。

3. 低导通压降：IGBT的导通压降较低，能够减少功率损耗。

4. 高输入阻抗：IGBT的输入阻抗较高，使得其能够与驱动电路相容，减少功率损耗。

5. 高温度稳定性：IGBT具有较好的温度稳定性，能够在高温环境下正常工作。

6. 可控性：通过控制栅极电压和栅极电流，可以精确控制IGBT的导通和关断。

结论：IGBT作为一种高性能功率半导体器件，具有结构简单、工作可靠、性能优越等特点，在电力电子领域得到广泛应用。

IGBT的封装失效机理1.1概述IGBT是一种新型的电力电子器件，诞生于70年代后期，刚开始时因其自身的PNPN四层结构构成了一个寄生的晶闸管，容易产生闩锁现像（Latch-Up）。

直到80年代通过将源区N+和P阱用金属层短路才基本消除闩锁现像，这才使得之实用化成为可能。

由于它是一种复合型晶体管，既具备MOSFET的高速切换能力，又有晶闸管大电压，大电流的处理能力，在200V—6500V的电力电子领域有着非常广泛的应用，并开始占据原本由GTO统治的应用领域。

我国IGBT 的应用市场很快占到了世界市场的一半，然而，我国的IGBT芯片技术还不成熟，主要依赖于进口，这成了我国电力电子的软肋，也是我国科技中的薄弱点。

在种类上，IGBT主要分为穿通型（Punch Through），非穿通型（Non Punch Through），以及场截止式（FieLd Stop）.相比于穿通和非穿通型IGBT，场截止IGBT芯片更薄，导通损耗更低，；由于功率芯片工艺条件的限制，单个IGBT芯片面积很少超出2-3cm2，电流等级也不会超过150A。

为应对大电流的需要，通常将多个IGBT芯片并联而成。

同样将芯片串联而成可实现高的耐压能力。

这样，IGBT模块应运而生。

1.2IGBT模块结构IGBT模块主要由若干混联的IGBT芯片构成，个芯片之间通过铝导线实现电气连接。

标准的IGBT封装中，单个IGBT还会并有续流二极管，接着在芯片上方灌以大量的硅凝胶，最后用塑料壳封装，IGBT单元堆叠结构如图1-1所示。

图1-1IGBT模块内部结构从上之下它依次由芯片，DBC（Directed Bonding Copper）以及金属散热板（通常选用铜）三部分组成。

DBC由三层材料构成，上下两层为金属层，中间层是绝缘陶瓷层。

相比于陶瓷衬底，DBC的性能更胜一筹：它拥有更轻的重量，更好的导热性能，而且可靠性更好。

1.3IGBT的封装失效机理功率器件的可靠性是指在规定条件下，器件完成规定功能的能力，通常用使用寿命表示。

IGBT及其子器件的几种失效模式摘要：本文通过案例和实验，概述了四种IGBT及其子器件的失效模式：MOS栅击穿、IGBT-MOS阈值电压漂移、IGBT有限次连续短路脉冲冲击的积累损伤和静电保护用高压npn管的硅熔融。

1、引言IGBT及其派生器件，例如：IGCT，是MOS和双极集成的混合型半导体功率器件。

因此，IGBT的失效模式，既有其子器件MOS和双极的特有失效模式，还有混合型特有的失效模式。

MOS是静电极敏感器件，因此，IGBT也是静电极敏感型器件，其子器件还应包括静电放电（SED）防护器件。

据报道，失效的半导体器件中，由静电放电及相关原因引起的失效，占很大的比例。

例如：汽车行业由于失效而要求退货的器件中，其中由静电放电引起的失效就占约30%。

本文通过案例和实验，概述IGBT及其子器件的四种失效模式：（1）MOS栅击穿；（2）IGBT——MOS阈值电压漂移；（3）IGBT寿命期有限次连续短路脉冲冲击的累积损伤；（4）静电放电保护用高压npn管的硅熔融。

2、MOS栅击穿IGBT器件的剖面和等效电路见图1。

由图1可见，IGBT是由一个MOS和一个npnp四层结构集成的器件。

而MOS是金属—氧化物—半导体场效应管的简称。

其中，氧化物通常是硅衬底上氧化而生成的SIO2，有时还迭加其他的氧化物层，例如Si3N4，Al2O3。

通常设计这层SiO2的厚度ts：微电子系统：ts<1000A电力电子系统：ts≥1000A。

SiO2 介质的击穿电压是1×1019V/m。

那么，MOS栅极的击穿电压是100V左右。

人体产生的静电强度U：湿度：10-20%，U＞18000V；60-90%时，U≥1500V。

上述数据表明，不附加静电保护的MOS管和MOS集成电路（IC），只要带静电的人体接触它，MOS的绝缘栅就一定被击穿。

案例：上世纪六十年代后期，某研究所研制的MOS管和MOS集成电路。

不管是安装在印刷电路板上还是存放在盒中的此种器件，都出现莫名其妙的失效。

IGBT器件的失效机理及可靠性研究章晓文恩云飞肖庆中工业和信息化部电子第五研究所，电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室广东广州510610摘要介绍了IGBT器件的特性，对其应用领域进行了详细描述。

参照IEC60747-9绝缘栅双极晶体管等标准，给出了IGBT器件环境试验的技术方案，间隙工作寿命试验主要是考核芯片的电连接特性，高温反偏试验主要是在最大结温下验证PN结反向击穿特性。

高温栅偏试验主要是在最大结温下加速验证栅氧经时击穿特性，即验证栅氧质量。

详细介绍了IGBT器件的可靠性影响因素，这些因素分别是闩锁效应、雪崩耐量、短路能力和温度系数。

关键词IGBT环境试验可靠性中图分类号T N386．1中图分类号A1．引言IGB T(I ns ul ate d Gate Bip ol a r Transistors，绝缘栅双极型晶体管)是MOS结构双极器件，兼具功率 MOSFET的高速性能与双极器件的低电阻特性的功率器件。

IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为l k H z以上的区域。

鉴于I G B T的参数特性，I G B T目前主要应用在电机、变换器(逆变器)、变频器、UPS、EPS电源、风力发电设备、数码相机闪光灯充电器、电磁炉、变频家电等工业控制和消费电子产品中。

在计算机和网络通信领域，IGBT广泛应用在大功率服务器、UPS电源以及大功率基站中。

在汽车电子市场，IGBT已经代替达林顿管成为汽车点火器的首选器件。

IGBT器件的发展路径见表l所示。

表1IGBT器件发展路径时问阶段技术结构1983年第一、二代MO$平面栅结构1995年第三代平面栅结构，但工艺更精细，5微米提升到到3微米1996年第四代沟槽栅结构，减小V CE(饱和)，电流密度提高2005年第五、六代PCM(插入式组合元胞)载漉子储存沟槽栅双极晶体管2010年第X代薄片技术带来的反响阻断(髓)型和反向导通型(RC)IGBT在军事领域也有广泛应用。