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功率半导体IGBT失效分析与可靠性研究

作者:黎长源,项永金,王少辉(格力电器(合肥)有限公司,合肥 230088)时间:2021-09-01来源:电子产品世界收藏
编者按:高端变频空调在实际应用中出现大量外机不工作,经过大量失效主板分析确认是主动式PFC电路中IGBT击穿失效,本文结合大量失效品分析与电路设计分析,对IGBT失效原因及失效机理分析,分析结果表明:经过对IGBT失效分析及IGBT工作电路失效分析及整机相关波形检测、热设计分析、IGBT极限参数检测对比发现IGBT失效由多种原因导致,IGBT在器件选型、器件可靠性、闩锁效应、驱动控制、ESD能力等方面存在不足,逐一分析论证后从IGBT本身及电路设计方面全部提升IGBT工作可靠性。


本文引用地址:http://www.reaganmsova.com/article/202109/427946.htm

0   引言

(绝缘栅双极型晶体管)是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有 的高输入阻抗和GTR 的低导通压降两方面优点。 综合了以上两种器件的优点,耐高压、驱动功率小而饱和压降低、开关速度快、开关损耗小,非常适合应用于直流电压为600 V 及以上的变流系统,如交流电机、开关电源、照明电路、牵引传动。目前 是绿色经济领域里的核心技术之一,规范应用于在航空航天、新能源、轨道交通、工业变频、智能电网等领域。IGBT 作为自动控制和功率变换的关键核心部件,是必不可少的功率“核芯”。采用IGBT 进行功率变换,能够提高用电效率,提升用电质量,实现30%~40% 的节能效果。即使对传统设备进行IGBT 技术改造,平均节电率仍可提升20%。此外,IGBT 还是实现能源转换的关键元件,光伏发电、风力发电、太阳能发电等新能源都要借助IGBT 产品将电能输送到电网中[1-4]

1   分析与生效机理研究

1.1 失效器件无损检测分析

1.1.1 X-ray透射分析

失效IGBT 表面无损伤,万用表测试1、2、3 脚互相短路,X 光透射内部IGBT 芯片金线焊接等无异常,片芯表面有烧毁点(图1),分析内部过电损伤导致失效。

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图1 IGBT X光透射图片

1.1.2 开封解析

对主板失效IGBT 进行开封解析,内部片芯表面有击穿烧痕迹,IGBT 失效均为有源区(active area)受到高能量损坏,分析主要为过电击穿失效,如表1 所示。

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1.1.3 IGBT结构描述

绝缘栅双极性晶体管IGBT 等效电路如图2 所示。

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图2 IGBT结构描述

1.1.4 失效IGBT应用电路

如图3, 红框部分为PFC 电路整流滤波部分,C401 电容具有滤波和抑制EMI 作用,PFC 主电路部分由PFC 电感L3、IGBT 及快恢复二极管D901 组成。当IGBT 闭合时电感L3 充能,IGBT 断开时电感L3 释放电能。IGBT 应用电路结构图如图3 所示。

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图3 IGBT应用电路

2   失效原因及失效机理分析

经过对失效IGBT 器件 能力检测、极限参数测试分析(极限耐压、 安全工作区、开关损耗、)、应用环境、驱动电路设计、整机工作波形分析、热设计分析发现其存在众多不足,总结归纳如下。1)IGBT 栅极 水平低,经过对IGBT 栅极水平测试,ST IGBT 栅极ESD 水平平均在3 400 V,最低只有2 900 V, 生产过程易出现静电放电损伤IGBT。ST IGBT 与Renesas、Farichild( 编者注:2016年被安森美收购)静电能力测试对比结果如表2。

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2)IGBT 超出绝对最大值发生过电压事件(RB安全工作区)、导致IGBT 失效问题,经过分析与厂家测试有关,厂家测试标准较为宽松,对于离散在边缘位置的一部分物料没有有效筛选剔除,在过负荷环境,在电源质量差环境易出现IGBT 导致击穿炸失效,厂家在片芯测试环节没有实施片芯测试筛选。

3)IGBT 应用电路设计存在缺陷,在特殊条件下检测有负压存在,在PFC 电路中若IGBT 两端存在负压没有二极管续流会损伤IGBT,导致击穿失效。

4)IGBT 栅极耐压测试发现IGBT 及2 个厂家驱动芯片存在差异,东芝IGBT 栅极极限耐压在25~27 V,ST IGBT 栅极极限耐压在24 V,TC4427驱动芯片极限耐压23 V,IR4427 驱动芯片极限耐压25~27 V。TC4427 IGBT 驱动芯片耐压偏低,低于实际应用24 V 稳压二极管工作电压,当栅极电压存在突变波动时,过压冲击将TC4427 芯片击穿,导致24 V稳压二极管实际上没有工作电压。稳压二极管选型不合理,需降低稳压二极管耐压水平。TC4427 IGBT 驱动芯片极限耐压水平在22 V,测试数据如表3。

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IGBT 驱动电路稳压管选型为24 V,在TC4427 的引脚Vout 上会出现瞬态大电压,在空调机组关闭的瞬间,实际检测IGBT 驱动波形发现最大脉冲电压约为24 V,比TC4427 规格书中的最大值22 V 高出2 V,脉冲电压超过最大值,器件的可靠性或使用寿命可能受影响。稳压管值24 V 是基于保护IR4427 选择的,无法有效保护TC4427。需要改变稳压管值到22 V下,增大稳压管功率,从而有效保护TC4427 免受过压冲击损坏。IGBT 栅极极限耐压测试如图5~ 图6,可见① G-E击穿电压:ST 比东芝明显偏低。② E-G 击穿电压:ST比东芝明显偏低。

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图5、图6 东芝ST IGBT栅极耐压测试对比

TC4427 芯片极限电压测试,TC4427 芯片VCC 测试首次出现击穿拐点在18~19 V,随着施加电压增加击穿电压增大,总体测试芯片击穿电压大致范围在21~23 V之间。

5)模块散热效率差,散热器使用金属拉丝,表面粗糙度大(0.15 mm),影响模块散热效率,散热器拉丝工艺外貌如图7,需要降低粗糙度。更改散热器铣削工艺。部分IGBT 失效,通过分析为过流烧坏,进一步分析为功率器件散热不良失效,对应IGBT 螺钉锁紧无异常。通过对故障件上匹配的散热器粗糙度进行检查,确认部分使用金属拉丝工艺散热器表面粗糙度较差,容易导致IGBT 工作过程中局部地区散热效果不佳,温度积聚升高,过热烧毁。

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图7 散热器金属拉丝外貌

6)IGBT 铜板与散热器电气间隙不合格导致烧毁问题,经过分析是硅胶片尺寸设计不合理,员工装配存在差异,在硅胶片贴偏情况下,IGBT 铜板与散热器电气出现间隙不合格击穿烧毁IGBT。IGBT 引脚与散热器凸台有一定间隙,硅胶片未能完全覆盖,IGBT 引脚与散热器凸台电气间隙过小,也存在过电打火隐患。IGBT打火失效如图8 所示,需要增加硅胶片尺寸,保证有效电气间隙。

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图8 失效件IGBT打火图片

3   IGBT工作可靠性提升方案

1)提升IGBT 栅极ESD 水平,由之前3 400 V 提升至8 000 V。基本杜绝生产过程ESD 损伤IGBT 导致失效问题。ST 新品ESD 水平测试测试数据如表4,AB两个厂家IGBT 栅极ESD 测试对比数据如图9 所示。

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图9 IGBT栅极ESD水平测试对比

2)实施汽车级PPAT 筛选测试标准,增加100% 片芯闩锁效应测试,厂家在片芯测试(增加PPAT 测试筛选VTH、BVCES、VCESAT 参数)环节实施片芯闩锁效应测试筛选。PPAT 测试能够消除任何可能离群值或锁存弱点如图10 所示,把离散的有质量可靠性问题物料全部剔除。

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图10 片芯测试筛选标准图

3)IGBT 内部增加5 A/600 V 续流二极管, 用于防止IGBT 可能出现的负压,解决IGBT 反向负压导致IGBT 失效问题,提高IGBT 在复杂环境工作的可靠性。

4)IGBT 栅极驱动稳压二极管重新选型,将工作电压由24 V 改为20 V。

调整前段稳压二极管稳压值,保证工作冗余量。TC4427 芯片极限工作电压大于22 V,实际测试平均工作极限耐压值23 V,IGBT 驱动电路使用稳压二极管为24 V,不能有效驱动IGBT 保护电路,驱动芯片失效,导致IGBT 击穿失效。测试TC4427 芯片(IGBT 驱动芯片)各个批次的极限工作电压大于22 V(符合规格书),普遍小于24 V,分析将线路设计中的24 V 稳压二极管变更成20 V 后,可以更好保护电路中的驱动芯片和IGBT,如图11 所示。

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图13 IGBT驱动电路图

5)驱动芯片改为IR4427 芯片,该芯片栅极耐压相对较高,TC4427 耐压在22~23 V,IR4427 极限耐压在25~27 V。

6)提升散热效率,改变散热器加工工艺,由金属拉丝工艺改为铣削工艺,提高散热器装配面的粗糙度,由0.15 mm 降低0.05 mm,IGBT 散热效率大幅度提升。IGBT 整体温升降低5 ℃。

7)硅胶片尺寸加长,更改硅胶片尺寸,杜绝硅胶片尺寸过小造成的IGBT 与散热器接触打火烧毁。比之前加长8 mm,能更好包裹住IGBT 本体底部及IGBT 引脚,防止硅胶片与散热器接触出现漏电,以及电气间隙不足导致的打火异常。

8)选取低热阻的硅胶片,提高IGBT 散热效率,经过对新物料IGBT 温升及散热效率测试,可以降低温升5 ℃左右。降低IGBT 概率,提高IGBT工作可靠性。

4   整改总结及意义

本文结合大量失效品分析与电路设计分析,对IGBT 失效原因及失效机理分析的结果表明:经过对IGBT 失效分析及IGBT 工作电路失效分析及整机相关波形检测、热设计分析、IGBT 极限参数检测对比发现IGBT 失效由多种原因导致,IGBT 在器件选型、器件可靠性、闩锁效应、驱动控制、ESD 能力等方面存在不足,逐一分析论证后,从IGBT 本身及电路设计方面提升IGBT 工作可靠性。

参考文献:

[1] 王瑞.大功率IGBT栅极驱动电路的研究[J].电气自动化,2014(3):115-117.

[2] 杨闳盛,宋郭蒙,王雄.IGBT模块与散热器接触界面气隙对散热的影响研究[J].机车电传动,2020(1):18-21,33.

[3] 尹新.基于栅极控制的IGBT关断过电压研究[J].电源技术,2016(3):680-683.

[4] 唐勇.高温下的IGBT可靠性与在线评估[J].电工技术学图13 IGBT驱动电路图 报,2014(6):17-23.

(本文来源于《电子产品世界》杂志2021年8月期)

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