一种IGBT模块失效机理分析

• 作 者: 郑翔
• 发表日期: 2014年期
• 关键词: IGBT 过电压 Silvaco TCAD 热失效

绝缘栅双极性晶体管（Insulate Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种由MOSFET和双极晶体管组成的结构，具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、驱动电路简单，兼具通态电压低、耐压高和承受电流大等优点，因而多应用于高压、大电流、大功率等感性负载电路中。工作中的IGBT器件本身会承受极大的电效应和热应力，失效的机率很高。随着IGBT器件的广泛应用，器件的失效而引发设备的故障往往会造成不可估量的经济损失，因此对IGBT进行失效分析具有十分重要的应用意义。本文在对IGBT器件的基本原理、工作特性以及失效的基本理论进行深入了解的基础上，着重分析IGBT模块过电压失效的影响因素和失效机理。利用Silvaco软件建立平面仿真模型，并对IGBT器件模型进行正向阻断和动态关断特性仿真。通过对正向击穿状态分析，观察到在器件内发生雪崩击穿的PN结附近载流子浓度会有效集中。载流子浓度、晶格温度和焦耳热能在该区域内随外加正向电压的增大而升高；通过对IGBT动态关断特性分析并观察到，关断时尤其是发生动态雪崩击穿期间会出现明显的电流集中—电流丝，进而从热和能量的角度深入分析得出过电压击穿损坏的本质是结温过高引起的热失效，会造成芯片表面出现烧损裂痕。经过与实际过电压失效的IGBT芯片进行对比，理论分析与现实结果完全一致。最后从理论上和仿真验证中，提出适当增加栅极电阻的阻值和适当提高其使用的环境温度等几种方法来抑制IGBT发生过电压失效的措施，为IGBT器件的正确使用与工艺改进提供理论参考。