1 引言
絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是由功率MOSFET和雙極晶體管(BJT)復合而成的一種新型的電力半導體器件，它集兩者的優點于一體，具有輸入阻抗大、驅動功率小、控制電路簡單、開關損耗小、速度快及工作頻率高等特點，成為目前最有應用前景的電力半導體器件之一[1]。在軌道交通、航空航天、新能源、智能電網、智能家電這些朝陽產業中，IGBT作為自動控制和功率變換的關鍵核心部件，是必不可少的功率“核芯”。采用IGBT進行功率變換，能夠提高用電效率，提升用電質量，實現節能效果，在綠色經濟中發揮著無可替代的作用。但由于軌道交通、新能源等領域應用工況復雜，在使用中常會碰到IGBT被損壞的問題，本文搜集、整理、列舉了大量應用中典型的失效案例，分析了IGBT典型失效特征及引起失效的原因，供大家參考。
2 國內外IGBT發展現狀
根據市場調研機構Yole的調查報告顯示，目前全球IGBT市場已回歸到穩步上升的軌道，市場規模在隨后的幾年時間內將繼續保持穩定的發展速度，市場規模至2018年將達到60億美元的數值。在產品分布上，雖然600~900V的IGBT是目前市場上的主流產品，但伴隨著軌道交通、再生能源、工業控制等行業市場在近幾年內的高速成長，對更高電壓應用的IGBT產品提出了強烈的需求。
在市場驅動下，國內外公司紛紛加大對IGBT產業的投入。國外研發IGBT器件的公司主要有英飛凌、ABB、三菱、西門康、日立、富士、TOSHIBA、IXYS和APT公司等，其IGBT技術基本成熟，已實現了大規模商品化生產，IGBT產品電壓規格涵蓋600V-6500V，電流規格涵蓋2A-3600A，形成了完善的IGBT產品系列。其中，西門康、仙童(fairchild)等企業在1700V及以下電壓等級的消費級IGBT領域處于優勢地位;ABB、英飛凌、三菱電機在1700V-6500V電壓等級的工業級IGBT領域占絕對優勢，3300V以上電壓等級的高壓IGBT技術更是被英飛凌、ABB、三菱三家公司所壟斷，它們代表著國際IGBT技術最高水平。
近年來，我國受高鐵、新能源等領域的投資規模提振，具有自主知識產權、本土化的IGBT產業鏈在不斷完善，但不可否認，IGBT芯片設計制造技術、IGBT模塊封裝設計制造技術、IGBT模塊可靠性與失效分析技術、IGBT測試技術等IGBT產業核心技術仍掌握在發達國家相關企業手中。目前，國內還沒有完全掌握IGBT芯片、封裝、測試和應用全系列技術的廠商，大部分IGBT及其配套產品，尤其是高壓大功率IGBT產品基本依賴進口，市場通常供不應求，在交貨周期和采購價格上完全受制于國外公司，使我國電力電子裝備產業存在潛在風險。國內IGBT企業需要在產品系列化和產品創新力方面不斷提升，盡快建成我國IGBT全創新鏈與全產業鏈。
3 IGBT模塊失效特征分析
本文的研究基于中國北車現有動車組技術平臺、大功率交流傳動電力機車技術平臺及大功率交流傳動內燃機車技術平臺，參考了國內外文獻，通過對大量試驗和應用數據的搜集、統計、整理，我們發現了一些典型的IGBT模塊失效案例，并對其進行了失效特征分析，具體如下：
3.1 過壓失效
(1)集-射極過壓失效
失效位置發生在有源區的邊緣處，如圖1(a)所示。可見，芯片表面靠近內側保護環處有小面積輕微燒損。發生失效的條件：一是芯片擊穿電壓不滿足要求，或者芯片的擊穿電壓發生退化;二是IGBT工作時發生異常，導致芯片承受的電壓超過其可以承受的額定擊穿電壓。
(2)柵-射極過壓失效
失效位置發生在柵極與發射極隔離區，如圖1(b)所示。失效特征表現為芯片表面柵極與發射極隔離區上有熔點。發生失效的條件：一是芯片柵極氧化層質量差，耐壓不滿足要求，或者芯片的柵極氧化層耐壓發生退化;二是工況導致柵極過電壓或電路產生柵極震蕩。
3.2 過流失效
(1)短路失效
失效位置發生在IGBT有源區(不含柵極)，如圖2所示。失效表現為模塊中多個IGBT 芯片同時嚴重燒毀。發生失效的條件：一是芯片短路安全工作區不能滿足系統設計要求，或者短路安全工作區發生退化;二是工況發生異常，IGBT回路出現短路且IGBT未能及時被保護;三是半橋臂出現短路(IGBT或續流二極管)，導致另一半橋臂IGBT被短路，發生短路失效;四是工作環境溫度升高，導致芯片結溫升高，短路安全工作區范圍變小;五是控制信號問題，導致IGBT誤開關，引起(橋臂)短路失效。
(2)過電流脈沖引起的失效
失效位置通常發生在IGBT有源區(不含柵極)鍵合點周圍，如圖，3所示。失效表現為鍵合點周圍芯片表面有燒損，一般鍵合線沒有完全脫落。因為電路中有效功率較低，過電流脈沖引起的損壞沒有短路時的嚴重。失效發生條件：一是由于觸發問題，導致IGBT芯片突然流過一個峰值較大的電流脈沖;二是續流二極管反向恢復電流、緩沖電容的放電電流及噪聲干擾造成的尖峰電流等產生的電流脈沖，這種瞬態過電流同樣可能引起IGBT失效。
3.3 過熱失效
失效位置通常產生在芯片表面，如圖4所示。失效表觀為芯片表面噴涂的聚酰亞胺層起泡或芯片、焊料部分被燒熔。這是由于模塊工作時產生的熱損耗熱量無法及時排出，導致芯片溫度過高。發生失效的條件：一是冷卻不足(冷卻板溫度過高);二是實際使用中開關頻率過高，或電流過高;三是裝配時由于導熱硅脂涂敷不均、涂敷方法不當、模塊及冷卻板平整度等不能滿足要求，導致模塊接觸熱阻過大。
3.4 超RBSOA的失效
失效位置通常發生在有源區(不含柵極)，與過電流脈沖引起的失效和短路失效主要區別在于，超RBSOA的失效通常不在鍵合點上，且損壞面積較小，經常伴有貫穿芯片的熔洞，如圖5所示。芯片表面無鍵合點區域內存在貫穿整個芯片熔洞，這是由于芯片功耗超出所允許的RBSOA范圍，導致芯片局部損壞。
失效發生條件：一是工況超過IGBT額定的RBSOA工作區間(電流或電壓);二是控制不當導致芯片超出其RBSOA范圍，或者芯片的RBSOA發生退化;三是模塊溫度升高，RBSOA范圍減小。
3.5 機械應力原因引起的失效
失效位置通常發生在陶瓷基板上，如圖6所示。失效表現為陶瓷基板上有裂痕。失效原因是安裝產生的強應力導致陶瓷基板破裂。發生失效的條件：一是導熱硅脂涂抹不均勻(如圖7所示)，使得底板和散熱器的接觸不在同一個平面，在緊固時產生應力導致陶瓷基板破裂，二是緊固力和緊固順序不合適，在陶瓷基板上產生應力，導致陶瓷基板破裂;三是模塊在搬運或應用過程中受到強外力的影響。
3.6 失效部位與其機理的對應關系
根據上述分析可知，不同的失效機理引起的失效位置不同。過壓包括產品自身的設計弱點、或使用時超過額定電壓及鈍化層的長期穩定性差等，引起的失效均起始于邊緣;過流包括通過器件的平均電流過高、浪涌電流及短路電流。由過流引起失效均位于有源區，只是平均電流過高引起的熔區面積較大，尺寸超過幾個mm2;由浪涌電流引起的熔區稍小，尺寸約1 mm2;短路電流導致發射區的大面積燒毀。超RBSOA引起的失效，通常位于柵極以外的有源區，但不在鍵合點上，且損壞面積較小，經常伴有貫穿芯片的熔洞。此外，動態效應(包括續流二極管的動態雪崩與IGBT的動態閂鎖等)引起的二極管損壞，微孔直徑一般小于100mm，動態雪崩引起的裂縫起始于晶格，動態閂鎖導致IGBT直接損壞[2]。
4 結束語
本文首先介紹了國內外IGBT發展情況及應用前景，結合大量的試驗和應用數據，對IGBT模塊失效的典型現象進行分析，得出了引起IGBT過壓、過流、過熱、超過RBSOA等失效的典型特征，可為IGBT用戶進行IGBT失效分析提供參考。
參考文獻
[1] 亢寶位.絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的失效.電力電子信息.2010年第1期
[2] Lutz, J., Schlangenotto, H., Scheuermann, U., De Doncker, R. Semiconductor Power Devices Physics, Characteristics, Reliability, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011.p346
