深入解析IGBT典型失效模式及其原因-电源网

半导体功率器件失效的原因多种多样。换效后进行换效分析也是十分困难和复杂的。其中失效的主要原因之一是超出安全工作区（Safe Operating Area简称SOA）使用引起的。IGBT的失效大致可以从失效时间和失效表现形式这两个维度去分析。

失效时间：在整个生命周期内，所有产品的失效率都是时间的函数，呈现明显的阶段性，遵循浴盆曲线（ Bathtub curve）的规律。IGBT也不例外。在曲线中，我们可以看到曲线的形状呈两头高，中间低，可以分为三个阶段：

1.早期失效

2.随机失效

3.寿命终结失效

图1所示的浴盆曲线中没有具体的刻度，因为失效率和时间的绝对值取决于产品的类型和运行的条件。

图1：浴盆曲线

早期失效：早期失效主要发生在生产测试，或者现场运行的早期。发生的原因有很多：比如器件在存储、运输、组装过程中受到损伤等等。

随机失效：随机失效通常是不可控的发生。比如宇宙射线，闪电、污染等等。

随机失效率与运行情况有很大的相关性。比如电子器件的失效率与运行的温度呈指数关系，根据经验法则，温度每升高20℃，失效率会翻倍。

在浴盆曲线中，我们可以看到随机失效率呈现较低的一个稳定的值，可以用FIT（Failure In Time，指定运行条件的情况）来表示，实际表达的含义就是10亿个小时内的失效数。在评估过程中，必须去除早期失效和寿命终结失效的元器件。

λ = nf / N *t

FIT = λ * 10^9

nf = 失效的数量（个）

N = 运行的器件总数量（个）

t = 观察的时间（以小时为单位）

MTBF (Mean Time Between Failures) 是指失效间隔的平均时间，针对的是可维修的器件。

MTTF (Mean Time To Failure) 是相同的概念，针对的是不可维修的器件。

MTBF 和MTTF均是λ的倒数。

MTBF=MTTF= 1/λ

需要注意的是：FIT，MTTF是描述某一种电子器件这一种群特性的统计参数，而不是种群内某一个单独器件的寿命。

寿命终结失效

寿命终结失效的发生是由于器件的磨损，主要由器件功耗变化或外部环境变化引起的热 - 机械应力导致，是不可避免的失效。器件的寿命取决于运行条件。在寿命模型的帮助下，赛米控开发了根据客户给定应用条件来进行寿命计算的先进技术。

失效的表现形式

从失效的表现形式来看，IGBT的失效大致可以分为三类：

1.电气过载

2.机械失效

3.环境影响

电气过载 Electrical Over Stress

在测试、应用过程中，电压、电流超出了IGBT安全工作范围而导致的失效可以归为电气过载。（请见图2，3，4）

图2：SOA安全工作区域

图3：RBSOA反偏安全工作区域

图4：SCSOA短路安全工作区域

从失效状态，结合应用的情况，过流可以分为短路导致的过流，持续的负载电流过流，开关过程中瞬间电流过大等不同的情况。过压可以分为门极/发射极过压，集电极/发射极之间的过压等。

这些高电流、高电压所表现出来的热的积累，导致IGBT芯片在不同位置呈现不同形态、不同程度的击穿或烧损状态。（请见图5，6，7，8）

除了电流、电压的直接影响，设计中系统的热阻Rth(j-a)、器件的损耗、采样电阻温度保护信号的设置不当、实际应用中散热系统的维护处理不当都可能会导致热量的累积发生失效，是需要关注的点。

图5：IGBT芯片过流

图6：IGBT芯片过流

图7：IGBT芯片门极过载

图8：IGBT芯片集电极-发射极过压

IGBT的电气过载失效是相对较为复杂的失效，在各种不同的实际案例中，有的案例有着相同的测试条件，但表现出的失效状态却不一样，有的失效品呈现相同的失效状态，但对应的根本原因却是不一样的。因此，在面对电气过载失效的时候，我们需要结合失效状态，并密切关注应用情况，比如失效率的统计，失效时间、位置的统计，从人、机、料、法、环五个方面辩证地评估有无变化导致失效的发生。

机械失效 Mechanical Over Stress

机械应力过大导致的失效，最常见的就是DCB破裂后模块的绝缘失效（请见图9）。DCB中的陶瓷一般是氧化铝或氮化铝。安装、运输过程中操作不当有可能导致陶瓷出现裂纹。

图9：带底板模块剖面示意图

根据不同的DCB 裂纹的状态，我们可以从以下方面有针对性地进行分析：

导热硅脂的型号及粘稠度、预搅拌、涂抹方式是否会导致不均匀、涂抹厚度是否在赛米控推荐范围内、覆盖区域与模块底部面积是否匹配、是否有异物等情况；

螺丝刀类型的选用，我们推荐使用电动螺丝刀，不推荐使用气动螺丝刀，因为其锁紧时的冲击力可能会给模块带来不可预期的损坏；

螺丝刀转速、扭矩，这需要根据赛米控提供的安装说明进行设定，并定期对生产线的设备进行检查、计量；

散热器的平整度、清洁度、机械尺寸与模块是否匹配；

螺丝型号的选用参考赛米控的安装说明；

组装方式，是否有预锁紧，锁紧后有无重复动作，有无根据安装说明规定的顺序进行安装，安装过程中，外壳与DCB之间是否有定位避免移动；

运输过程中是否有较大的机械应力加载在模块上。

环境影响 Environment

环境影响可以分为以下几类：湿气及冷凝水、灰尘、化学腐蚀、宇宙射线

湿气及冷凝水

封装内水分的差异在不同的封装材料之间有一个平衡的过程，比如外部的相对湿度较大，经过一定的时间，较高的湿度也会穿过硅胶，来到芯片表面，从而实现内、外部的平衡。芯片表面储存的水离子会带来电磁场的变化。赛米控公司生产的大部分功率模块是符合EN50178标准气候等级3K3级别（请见图10中粗线对应的范围）

图10：IEC60721-3-3中对应的气候等级3K3

在3K3对应的安全工作区域内，相对湿度需小于85%，但是在华南地区或沿海地区夏天的湿度普遍高于这个值。在失效案例中，由于爆炸时能量太大，在失效品上我们也许未能观察到芯片细微的变化，爆炸状态也掩盖了失效前水汽的存在。通过对失效地点、失效时间、失效率的统计分析，比如在没有任何更改的情况下，沿海的风电设备只有在梅雨季节呈现较高的失效率，而一年的其他季节则运行稳定，这也许与湿度有一定的相关性。因此为了避免较高的湿度或水汽凝结，必须通过一些额外的措施，比如机柜内使用加热器、智能温度检测、冷却水温度控制等方法。

灰尘

端子间灰尘的累积会导致爬电距离的减小，会导致不可预期的拉弧放电。（请见图11）

散热器中灰尘的累积会导致散热效果的下降，系统热阻的上升，从而导致过热失效。（请见图12）

因此定期对机柜过滤网的检查、更换，对机柜密封性能进行检查不可或缺。