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IGBT失效分析技术

李琦  
【摘要】:自20世纪60年代起,电力电子技术的出现为提高能源利用率,实现电能变换以及实施各国的新能源战略开辟了新的道路。现今,电力电子技术的发展极大的帮助了人类实现对自然资源的合理、高效以及可持续利用。 目前,以IGBT (Insulated Gate Bipolat Transistor,绝缘栅双极型晶体管)和功率MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,金属-氧化层栅场效应管)为首的大功率器件是各种电力电子装置的核心。当电力电子装置出现故障时,经常是由于电力电子器件发生损坏。因此,透彻的了解电路系统并合理地使用功率器件,不但可以规避装置故障风险,也可以更好地利用器件的电压、电流裕量,提高器件利用率。反过来,研究器件在不同应用条件下的失效模式,则可以更好地理解器件工作原理以及失效情况,提高器件实际应用寿命。 近年来,对器件的失效分析已经成为电力电子领域中一个研究热点。本论文基于现代电力电子装置中应用最广的IGBT器件,利用静态测试仪371b、SEM (Scanning Electron Microscope,扫描电子显微镜)、EDX (Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy、能量色散X射线光谱仪)、FIB (Focused Ion beam,聚焦离子束)切割、TEM (Thermal Emmision Microscope,高精度热成像分析仪)等多种分析手段对模块应用当中失效的IGBT芯片进行电特性分析、芯片解剖并完成失效分析,并基于相应的失效模式提出了封装改进方案。 1.对于栅极失效的情况,本论文先经过电特性测试完成预分析,并利用THEMOS分析出栅极漏电流通路,找到最小点并进行失效原因分析,针对相应原因提出改进方案。 2.针对开通与关断瞬态过电流失效,采用研磨、划片等手段进行芯片的解剖。并用SEM与EDX对芯片损伤程度进行评估分析,以文献为参考进行失效原因分析,利用saber仿真进行失效原因验证。 3.针对通态过电流失效模式,采用解剖分析来评估损伤情况,探究失效原因,并采用电感钳位电路进行实验验证。 4.针对过电压失效模式,采用芯片解剖方式来分析失效点以及失效情况,基于文献归纳并总结出传统失效原因,并通过大量实验得出基于封装的失效原因,最后采用saber仿真加以验证。


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