IGBT的芯片结构及其失效模式分析[优质PPT]

IGB正 率模块的几种电路结构在所有的变频器及交流伺服驱动器中，内部 电路无非是 相(或单相)整流桥为 相i其bt逆变桥。

依据这种电路结构，针对 同的 率等级，可以有很多种模块选择方式，以 予以分述。

(1) pim结构这是一种小 率变频器 要采用的结构，结构特点是 相整流桥，制动单元，温度检测， 相i其bt逆变桥全部集成在一个模块 ，以富士半导体 的7mbr25 sa120 例，图1 模块内部电路结构，7个驱动单元采用 耦隔离驱动。

图1 模块内部电路结构(2) 或七单元i其bt结构这种模块 要用于中小 率变频器，结构特点是 相整流桥，制动单元 外置模块，i其bt模块 或七单元i其bt结构。

以富士半导体 的6mbi75ua-120 例，图2 模块内部电路结构，6个驱动单元采用 耦隔离驱动。

图2 模块内部电路结构(3) 一或二单元i其bt结构这种模块 要用于中大 率变频器，结构特点是 相整流桥，制动单元 外置模块，i其bt模块 一或二单元i其bt结构，变频器采用 或 个i其bt模块组成 相逆变桥。

以富士半导体 的6mbi75ua-120 例，图3 模块内部电路结构，2个驱动单元采用 耦隔离驱动。

图3 6mbi75ua-120模块内部电路结构(4) ipm结构这种模块 要用于中小 率变频器，结构特点是驱动单元内置，模块内部电路可以是以 的任何一种电路结构。

以富士半导体 的6mbp100ra-060 例，图4 模块内部电路结构，6个驱动单元内置，但需提供独立的驱动电源。

图4 6mbp100ra-060模块内部电路结构IGB正 率模块故障判断方法针对以 同的i其bt模块结构，故障判断测试可以简化 单个i其bt单元测试和单个ipm单元测试， 体如 光(1) i其bt的 要测试参数vces 其主，s短路，i其bt的反向 穿电压;cies i其bt的其主，s间电容;frd i其bt的反并联二极管;i其bt的控制导通 截 特性。

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的结构和工作原理图1所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。

N+ 区称为漏区。

器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。

沟道在紧靠栅区边界形成。

在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region ）。

而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区（Drain injector ），它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。

附于漏注入区上的电极称为漏极。

IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。

反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT 关断。

IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。

当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。

2.IGBT 的工作特性1.静态特性IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。

IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。

输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。

它与GTR 的输出特性相似．也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。

在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。

如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。

IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。

它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。

IGBT器件结构及其分析0 引言IGBT是综合MOS管和双极型晶体管优势特征的一种半导体复合器件，作为功率半导体分离器件的代表，广泛应用于新能源汽车、消费电子、工业控制领域，所涉及领域几乎涵盖社会的各个方面，市场需求增长空间巨大。

近几年中国IGBT产业在国家政策推动及市场牵引下得到迅速发展，但技术方面与国际大厂仍有较大差距，国际大厂中以英飞凌为代表，技术已发展到微沟槽性IGBT，并达到量产水平。

从1980年至今，IGBT经历了六代技术的发展演变，过程如图1所示，分别是第一代平面穿通型（P.PT），第二代改进的平面穿通型（P.PT），第三代平面非穿通型（P.NPT），第四代沟槽非穿通型（Trench.NPT），第五代平面栅软穿通型（P.SPT）和第六代沟槽栅电场-截止型（FS-Trench）。

主要是围绕以下3种核心技术及与其同步的载流子浓度分布优化技术发展：（1）体结构（又称衬底）：PT （穿通）→NPT（非穿通）→ FS/SPT/LPT（软穿通）。

（2）栅结构：平面栅→沟槽栅。

（3）集电极区结构：透明集电极→内透明集电极结构。

IBGT芯片在结构上是由数万个元胞（Cell）重复组成，工艺上采用大规模集成电路技术和功率器件技术制造而成。

每个元胞（Cell）结构如图2所示，可将其分为正面MOS结构、体结构和背面集电极区的结构三部分。

1 体结构的发展IGBT 的体结构设计技术发展经历从穿通（PT）-非穿通（NTP）-软穿通（SPT）的历程。

（1）穿通结构（Punch Through，PT）特点。

随着外延技术的发展，引入N型缓冲区形成穿通结构，降低了背部空穴注入效率，实现了批量应用，但限制了高压IGBT的发展，最高电压1 700V。

（2）非穿通结构（Non Punch Through ,NPT）特点。

随着区熔薄晶圆技术发展，基于N型衬底的非穿通结构IGBT推动了电压等级的不断提升，并通过空穴注入效率控制技术使IGBT具有正温度系数，能够较快地实现并联应用、高短路能力，提高应用功率等级，并且不需要外延工艺从而降低成本。

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。