IGBT短路耐量研究进展

IGBT短路耐量研究进展

邓璐璐,谭爱国,王宇飞,刘元满,谭浪

广东美的制冷设备有限公司，528300

摘要：IGBT失效研究是提升功率器件可靠性的有效途径。本研究通过搭建符合实际条件的IGBT测试工装，实际测试了相同规格、不同晶圆品牌短路耐量的测试数据。结果表明短路耐量越大时，相对应市场维修率就低。其原因可以归结为，短路耐量可以表现出器件的强壮性，可以抵御大电流冲击的能力，而市场失效是和大电流的冲击是有很强的相关性的。

关键词：IGBT   短路耐量   市场维修率 失效分析

1 引言

国内家电市场上，失效器件占比比较高的就是电力电子的核心单元PFC电路。而与PFC电路中，失效最多的就是IGBT。针对IGBT的应用，我们时常关心其额定电压（Vce）、漏电流（Ice）、额定电流等一些重要的参数，但是忽略了其重要的一个特性参数：短路耐量。短路耐量是指[1]，在非PFC条件模式下，电路负载发生短路，IGBT导通，使得大电流经过IGBT内部，直至IGBT损坏，期间所承受大电流冲击的时间称之为短路耐量。现在国内外市场上，大部分器件的规格书上，对此短路耐量的参数没有一个明确的要求规范。

短路耐量实际上市表现出来IGBT承受时间的长短，表现在其本体是否“健壮”。研究短路耐量，可以对器件进行较为快速的极限参数的评估。不同于可靠性寿命试验，在特定条件下运行较长时间，一般情况下表可靠性寿命试验要求1000个小时。而短路耐量这个参数不同，可以通过搭接常一个电路系统，短时间内激发IGBT动作直至失效，是比较快速评价IGBT的一种手段。

2 实验背景

针对于家电市场上IGBT的失效，我们通常回去按照失效分析方法进行电性能测试、无损检测和开封检测。而针对于市场上最常见的失效模式为过流，其可以通过短路耐量的测试方法瞬间激发出来。图1表示市场上典型的IGBT失效形貌，图2表示通过短路耐量测试后，失效的样品形貌，两者表现为典型的过流失效。其中击穿点为IGBT的晶圆，IGBT内部续流二极管的晶圆，均未受到损伤。为了验证市场失效和此参数的关联性，我们搭建了如下电路，如图3所示：

          图1 市场上IGBT失效形貌         图2  短路耐量实验后IGBT的失效形貌

图3  短路耐量的测试原理图

2.1实验过程

针对同一厂家不同产地的IGBT晶圆和快速恢复二极管晶圆，我们使用图3的电路测试出了物料的短路耐量TSC和短路峰值电流Isc，测试结果如下图所示。其中Vge代表施加的门级电压(脉冲波)；Vce代表C-E端的电压值；Tsc代表短路耐量，Esc代表器件承受的脉冲能量

图4 1#                     图5 2#

图6 3#                       图7 4#

Tsc和Isc的电性测试结果和短路特性测试结果如下表1：

表1：1~4#电参数特性及短路耐量参数特性汇总表

根据图4至图7以及表1结果表明：各个IGBT晶圆厂和续流二极管组合时，A厂家的IGBT晶圆测试时，TSC和Isc差异不大；当IGBT晶圆变更为B晶圆厂家后，TSC和Isc就有较大的差异。另外，不同产地的二极管的组合，对整个IGBT的性能没有什么特别的影响。此外，能明显看出，A厂家的IGBT晶圆TSC和ESC相对稳定，而且比B厂家离散性小。

2.2市场数据

由于短路耐量没有纳入到我司的标准或者行业通用标准中，此测试数据仅做了留底存档，后期市场上我们仅使用了1#和3#的样品经过一段时间使用过后，收集了市场维修的数据，结合供货情况，市场维修率数据见表2.

表2  1#样品和3#样品的市场维修率（数据仅显示相对值）

表2和表1的数据可以看得出市场维修率和短路耐量相关，当短路耐量大时，市场维修率就相对变小。

2.3 机理检讨

针对市场失效的样品做了开封形貌对比测试如图2和图3所示，两者失效形貌类似。以过流失效为主。在市场上，导致短路失效的可能由这几部分原因组成：

1、用户使用时突发的外部浪涌导致过电失效；

用户使用时，比如在变电站、变压器旁边使用，电压电流信号不稳；或者，雷击浪涌电流注入到正在工作控制器的电网上面，导致PFC电路浪涌过冲导致的失效。在此场景下，短路耐量低，经受大电流的承受时间短、承受不了大电流的冲击，可能导致器件在运行过程中加速失效。

2、PFC电路驱动信号误动作导致IGBT C-E两端持续通入大电流，导致器件过流损坏；

第二种情况就是，IGBT门级驱动所处各种因素电磁干扰，导致信号失真。更有甚者，导致门级信号持续通入电压Vin＞Vth,持续存在大电流的情况。IGBT及相关PFC电路来不及保护，导致C-E极长时间流过大电流，从而导致失效。再此场景下，短路耐量过低，器件承受大电流能力降低，可能加速失效。

3、运行过程中IGBT温升过高导致器件过流承受低从而导致失效

第三种情况：当IGBT温升过高，承受能力下降。例如：在控制器满负荷运行的情况下，晶圆与环温差异较大，晶圆温度处于结温上限，其更容易失效。当器件短路耐量变大时，结温上限也同步提高，对此类失效可以抑制很多。

4、器件本身制造缺陷导致市场早夭失效

第四种情况，器件自身的缺陷，导致使用时早夭的失效，比如绑定线的弹坑，以及通流能力较弱的晶圆、和塑封IGBT平整度较低导致IGBT在安装过程中存在应力的情况。以上的自身缺陷，容易在实际使用过程中早夭失效，当器件的短路耐量提升时，此类问题出现的概率就会相对偏小，从而降低市场维修率。

3 总结

IGBT短路耐量和市场维修的关联性较大：短路耐量大，短路所能承受的电流大时，市场上失效的概率就会变小。另外，市场上可能存在多种大电流冲击、门级信号误动作、温升过高、器件装机后的早夭失效，均可已通过短路耐量这个参数映射出来，主要是因为当IGBT短路耐量变大时，器件本身抗电流能力变大，更能降低在使用过程中电流的突变导致的失效受损。

参考文献

1.利年百明. PFC电路的电流检测与过电流保护最优部件选[C]// 2014输变电年会.

通信作者简介：邓璐璐，男，1990年09月生，毕业于电子科技大学材料科学与工程专业，现任广东美的制冷设备有限公司 零部件评价主任工程师，主要从事电子元器件可靠性研究，电子邮箱lulu.deng@midea.com。