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            功率半導體IGBT失效分析與可靠性研究

            作者:黎長源,項永金,王少輝(格力電器(合肥)有限公司,合肥 230088)時間:2021-09-01來源:電子產品世界收藏
            編者按:高端變頻空調在實際應用中出現大量外機不工作,經過大量失效主板分析確認是主動式PFC電路中IGBT擊穿失效,本文結合大量失效品分析與電路設計分析,對IGBT失效原因及失效機理分析,分析結果表明:經過對IGBT失效分析及IGBT工作電路失效分析及整機相關波形檢測、熱設計分析、IGBT極限參數檢測對比發現IGBT失效由多種原因導致,IGBT在器件選型、器件可靠性、閂鎖效應、驅動控制、ESD能力等方面存在不足,逐一分析論證后從IGBT本身及電路設計方面全部提升IGBT工作可靠性。


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

            0   引言

            (絕緣柵雙極型晶體管)是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件,兼有 的高輸入阻抗和GTR 的低導通壓降兩方面優點。 綜合了以上兩種器件的優點,耐高壓、驅動功率小而飽和壓降低、開關速度快、開關損耗小,非常適合應用于直流電壓為600 V 及以上的變流系統,如交流電機、開關電源、照明電路、牽引傳動。目前 是綠色經濟領域里的核心技術之一,規范應用于在航空航天、新能源、軌道交通、工業變頻、智能電網等領域。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30%~40% 的節能效果。即使對傳統設備進行IGBT 技術改造,平均節電率仍可提升20%。此外,IGBT 還是實現能源轉換的關鍵元件,光伏發電、風力發電、太陽能發電等新能源都要借助IGBT 產品將電能輸送到電網中[1-4]。

            1   分析與生效機理研究

            1.1 失效器件無損檢測分析

            1.1.1 X-ray透射分析

            失效IGBT 表面無損傷,萬用表測試1、2、3 腳互相短路,X 光透射內部IGBT 芯片金線焊接等無異常,片芯表面有燒毀點(圖1),分析內部過電損傷導致失效。

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            圖1 IGBT X光透射圖片

            1.1.2 開封解析

            對主板失效IGBT 進行開封解析,內部片芯表面有擊穿燒痕跡,IGBT 失效均為有源區(active area)受到高能量損壞,分析主要為過電擊穿失效,如表1 所示。

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            1.1.3 IGBT結構描述

            絕緣柵雙極性晶體管IGBT 等效電路如圖2 所示。

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            圖2 IGBT結構描述

            1.1.4 失效IGBT應用電路

            如圖3, 紅框部分為PFC 電路整流濾波部分,C401 電容具有濾波和抑制EMI 作用,PFC 主電路部分由PFC 電感L3、IGBT 及快恢復二極管D901 組成。當IGBT 閉合時電感L3 充能,IGBT 斷開時電感L3 釋放電能。IGBT 應用電路結構圖如圖3 所示。

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            圖3 IGBT應用電路

            2   失效原因及失效機理分析

            經過對失效IGBT 器件 能力檢測、極限參數測試分析(極限耐壓、 安全工作區、開關損耗、)、應用環境、驅動電路設計、整機工作波形分析、熱設計分析發現其存在眾多不足,總結歸納如下。1)IGBT 柵極 水平低,經過對IGBT 柵極水平測試,ST IGBT 柵極ESD 水平平均在3 400 V,最低只有2 900 V, 生產過程易出現靜電放電損傷IGBT。ST IGBT 與Renesas、Farichild( 編者注:2016年被安森美收購)靜電能力測試對比結果如表2。

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            2)IGBT 超出絕對最大值發生過電壓事件(RB安全工作區)、導致IGBT 失效問題,經過分析與廠家測試有關,廠家測試標準較為寬松,對于離散在邊緣位置的一部分物料沒有有效篩選剔除,在過負荷環境,在電源質量差環境易出現IGBT 導致擊穿炸失效,廠家在片芯測試環節沒有實施片芯測試篩選。

            3)IGBT 應用電路設計存在缺陷,在特殊條件下檢測有負壓存在,在PFC 電路中若IGBT 兩端存在負壓沒有二極管續流會損傷IGBT,導致擊穿失效。

            4)IGBT 柵極耐壓測試發現IGBT 及2 個廠家驅動芯片存在差異,東芝IGBT 柵極極限耐壓在25~27 V,ST IGBT 柵極極限耐壓在24 V,TC4427驅動芯片極限耐壓23 V,IR4427 驅動芯片極限耐壓25~27 V。TC4427 IGBT 驅動芯片耐壓偏低,低于實際應用24 V 穩壓二極管工作電壓,當柵極電壓存在突變波動時,過壓沖擊將TC4427 芯片擊穿,導致24 V穩壓二極管實際上沒有工作電壓。穩壓二極管選型不合理,需降低穩壓二極管耐壓水平。TC4427 IGBT 驅動芯片極限耐壓水平在22 V,測試數據如表3。

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            IGBT 驅動電路穩壓管選型為24 V,在TC4427 的引腳Vout 上會出現瞬態大電壓,在空調機組關閉的瞬間,實際檢測IGBT 驅動波形發現最大脈沖電壓約為24 V,比TC4427 規格書中的最大值22 V 高出2 V,脈沖電壓超過最大值,器件的可靠性或使用壽命可能受影響。穩壓管值24 V 是基于保護IR4427 選擇的,無法有效保護TC4427。需要改變穩壓管值到22 V下,增大穩壓管功率,從而有效保護TC4427 免受過壓沖擊損壞。IGBT 柵極極限耐壓測試如圖5~ 圖6,可見① G-E擊穿電壓:ST 比東芝明顯偏低。② E-G 擊穿電壓:ST比東芝明顯偏低。

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            圖5、圖6 東芝ST IGBT柵極耐壓測試對比

            TC4427 芯片極限電壓測試,TC4427 芯片VCC 測試首次出現擊穿拐點在18~19 V,隨著施加電壓增加擊穿電壓增大,總體測試芯片擊穿電壓大致范圍在21~23 V之間。

            5)模塊散熱效率差,散熱器使用金屬拉絲,表面粗糙度大(0.15 mm),影響模塊散熱效率,散熱器拉絲工藝外貌如圖7,需要降低粗糙度。更改散熱器銑削工藝。部分IGBT 失效,通過分析為過流燒壞,進一步分析為功率器件散熱不良失效,對應IGBT 螺釘鎖緊無異常。通過對故障件上匹配的散熱器粗糙度進行檢查,確認部分使用金屬拉絲工藝散熱器表面粗糙度較差,容易導致IGBT 工作過程中局部地區散熱效果不佳,溫度積聚升高,過熱燒毀。

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            圖7 散熱器金屬拉絲外貌

            6)IGBT 銅板與散熱器電氣間隙不合格導致燒毀問題,經過分析是硅膠片尺寸設計不合理,員工裝配存在差異,在硅膠片貼偏情況下,IGBT 銅板與散熱器電氣出現間隙不合格擊穿燒毀IGBT。IGBT 引腳與散熱器凸臺有一定間隙,硅膠片未能完全覆蓋,IGBT 引腳與散熱器凸臺電氣間隙過小,也存在過電打火隱患。IGBT打火失效如圖8 所示,需要增加硅膠片尺寸,保證有效電氣間隙。

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            圖8 失效件IGBT打火圖片

            3   IGBT工作可靠性提升方案

            1)提升IGBT 柵極ESD 水平,由之前3 400 V 提升至8 000 V?;径沤^生產過程ESD 損傷IGBT 導致失效問題。ST 新品ESD 水平測試測試數據如表4,AB兩個廠家IGBT 柵極ESD 測試對比數據如圖9 所示。

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            圖9 IGBT柵極ESD水平測試對比

            2)實施汽車級PPAT 篩選測試標準,增加100% 片芯閂鎖效應測試,廠家在片芯測試(增加PPAT 測試篩選VTH、BVCES、VCESAT 參數)環節實施片芯閂鎖效應測試篩選。PPAT 測試能夠消除任何可能離群值或鎖存弱點如圖10 所示,把離散的有質量可靠性問題物料全部剔除。

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            圖10 片芯測試篩選標準圖

            3)IGBT 內部增加5 A/600 V 續流二極管, 用于防止IGBT 可能出現的負壓,解決IGBT 反向負壓導致IGBT 失效問題,提高IGBT 在復雜環境工作的可靠性。

            4)IGBT 柵極驅動穩壓二極管重新選型,將工作電壓由24 V 改為20 V。

            調整前段穩壓二極管穩壓值,保證工作冗余量。TC4427 芯片極限工作電壓大于22 V,實際測試平均工作極限耐壓值23 V,IGBT 驅動電路使用穩壓二極管為24 V,不能有效驅動IGBT 保護電路,驅動芯片失效,導致IGBT 擊穿失效。測試TC4427 芯片(IGBT 驅動芯片)各個批次的極限工作電壓大于22 V(符合規格書),普遍小于24 V,分析將線路設計中的24 V 穩壓二極管變更成20 V 后,可以更好保護電路中的驅動芯片和IGBT,如圖11 所示。

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            圖13 IGBT驅動電路圖

            5)驅動芯片改為IR4427 芯片,該芯片柵極耐壓相對較高,TC4427 耐壓在22~23 V,IR4427 極限耐壓在25~27 V。

            6)提升散熱效率,改變散熱器加工工藝,由金屬拉絲工藝改為銑削工藝,提高散熱器裝配面的粗糙度,由0.15 mm 降低0.05 mm,IGBT 散熱效率大幅度提升。IGBT 整體溫升降低5 ℃。

            7)硅膠片尺寸加長,更改硅膠片尺寸,杜絕硅膠片尺寸過小造成的IGBT 與散熱器接觸打火燒毀。比之前加長8 mm,能更好包裹住IGBT 本體底部及IGBT 引腳,防止硅膠片與散熱器接觸出現漏電,以及電氣間隙不足導致的打火異常。

            8)選取低熱阻的硅膠片,提高IGBT 散熱效率,經過對新物料IGBT 溫升及散熱效率測試,可以降低溫升5 ℃左右。降低IGBT 概率,提高IGBT工作可靠性。

            4   整改總結及意義

            本文結合大量失效品分析與電路設計分析,對IGBT 失效原因及失效機理分析的結果表明:經過對IGBT 失效分析及IGBT 工作電路失效分析及整機相關波形檢測、熱設計分析、IGBT 極限參數檢測對比發現IGBT 失效由多種原因導致,IGBT 在器件選型、器件可靠性、閂鎖效應、驅動控制、ESD 能力等方面存在不足,逐一分析論證后,從IGBT 本身及電路設計方面提升IGBT 工作可靠性。

            參考文獻:

            [1] 王瑞.大功率IGBT柵極驅動電路的研究[J].電氣自動化,2014(3):115-117.

            [2] 楊閎盛,宋郭蒙,王雄.IGBT模塊與散熱器接觸界面氣隙對散熱的影響研究[J].機車電傳動,2020(1):18-21,33.

            [3] 尹新.基于柵極控制的IGBT關斷過電壓研究[J].電源技術,2016(3):680-683.

            [4] 唐勇.高溫下的IGBT可靠性與在線評估[J].電工技術學圖13 IGBT驅動電路圖 報,2014(6):17-23.

            (本文來源于《電子產品世界》雜志2021年8月期)

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