1、可靠性 包括器件固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性问题包括安全工作区、闩锁效应、雪崩耐量、短路能力及功耗等，使用可靠性问题包括并联均流、软关断、电磁干扰及散热等。
图1 IGBT的FBSOA 1.1 IGBT安全工作区（SOA） 正偏安全工作区（Forward biased SOA，FBSOA）：在管壳温度为25℃、直流电流和脉冲持续时间条件下，IGBT开通后的最大额定集电极电流ICmax与开通前和开通期间集-射极电压UCE及开通期间的最大功耗PCmax决定的区域。当IGBT工作在单脉冲模式时，ICmax由闩锁 电流容量设定，UCEmax由击穿电压决定，PCmax由最高允许结温Tjm和热阻所决定。脉冲宽度越宽，导通时间越长，发热越严重，SOA则越窄。当IGBT工作在直流模式时，则SOA更小，对应的ICmax也减小。此时FBSOA只考虑导通功耗，不包括开关功耗。当IGBT在一定脉宽和占空比下连续工作时，其安全工作区边界应根据瞬态热阻曲线来确定。 反偏安全工作区（Reverse biased SOA，RBSOA）：在规定条件下，IGBT在关断期间短时间内能同时承受最大集电极电流ICmax和最高集-射极电压UCEmax而不失效的区域。 RBSOA的电流限为最大箝位电感电流ILmax，一般是最大直流额定电流的两倍。如果UCE上升过快，即du/dt过高，会导致IGBT发生动态闩锁，所以du/dt越高，RBSOA越小。 PT-IGBT的RBSOA比NPT-IGBT更小，PT-IGBT能关断的最大箝位电感电流ILmax比NPT-IGBT要小，抗高电压大电流冲击和短路能力都不如NPT-IGBT。
图2 IGBT的反偏安全工作区 开关安全工作区（Switching SOA，SSOA）：器件在开通和关断时能安全工作的区域，兼顾FBSOA和RBSOA两种状态的考虑。RBSOA所指的集电极电流为关断时最大箝位电感电流ILmax，而SSOA所指电流为最大脉冲电流ICmax，但在产品手册中给出的两者数值通常是相等的。在IGBT开通时，往往是UCE还没有降下来，IC就已达到负载电流。在有续流二极管时，还会达到IC+IRM（IRM为续流二极管的反向恢复峰值电流），开通过程也存在高压大电流状态。 短路安全工作区（Short Circuit SOA，SCSOA）：在负载短路条件下和持续短路时间tSC内，由短路电流ISC与集-射极电压UCE构成的、IGBT能再次开关而不失效的区域。SCSOA与短路电流的上升率di/dt有关。di/dt越高，SCSOA越窄。短路时间tSC是指电路在电源电压 下器件导通后，由驱动电路控制被测器件的时间最大值。通常要求在总运行时间内，IGBT的 短路次数n不得大于1000次，且两次短路的时间间隔ti至少为1s。
图3 IGBT的SCSOA PT-IGBT短路时间tSC较短，产品手册一般不给出短路安全工作区。NPT-IGBT和沟槽栅FS-IGBT通常会给出SCSOA。NPT-IGBT在tSC≤10μs和额定电压下，其短路电流与额定电流之比ISC/IC≈10；沟槽栅FS-IGBT在tSC≤10μs和额定电压下ISC/IC=4。 1.2闩锁电流容量 动态闩锁电流容量通常比静态闩锁电流容量要小。 预防发生闩锁措施：除了采用防闩锁的结构设计尽可能提高IGBT的闩锁电流容量外，从工艺上考虑，通常将n+发射区和p基区接触区短路，或者采用B+注入形成p+深阱区和p++浅基区，以减小p基区的横向电阻RB，降低接触电阻，可抑制闩锁发生。采用少子寿命控制技术，可减小少子寿命τp，从而降低pnp晶体管的电流放大系数αpnp，有利于提高闩锁电流容量。采用薄栅氧工艺，在保证阈值电压不变的条件下，减薄栅氧化层厚度tox，可相应增大p基区的掺杂浓度，以减小p基区横向电阻，从而提高闩锁电流。还需考虑衬底材料和制作工艺的均匀性，避免电流集中，提高器件的抗闩锁能力。在实际应用中，应严格限制IGBT的工作温度。 1.3雪崩耐量 雪崩耐量与发生雪崩时的面积和电流分布有关。雪崩面积越大，雪崩电流分布越均匀，则雪崩耐量越高。 与功率MOSFET相同，通过测量在单脉冲作用下非箝位感应开关（UIS）的雪崩能耗EAS来衡量IGBT的雪崩耐量。在单脉冲UIS条件下，IGBT能否安全工作，由最大允许的雪崩电流IAS及雪崩时间tAS决定。要求由雪崩电流产生的温升ΔT与器件关断时的结温Tj之和不能超过最大结温Tjm。 提高措施：合理地设计器件的结构参数。增加元胞尺寸（平面栅）或栅间距（沟槽栅）、增大雪崩区的面积，可以提高雪崩耐量。低压IGBT，结终端区面积小于有源区面积，雪崩发生在有源区内，电流分布较均匀；高压IGBT，结终端区的面积较大，雪崩发生在结终端部分时，雪崩电流分布较集中，其雪崩耐量会下降。沟槽栅结构发生雪崩的面积比平面栅较小， 故沟槽栅的动态雪崩耐量比平面栅更低。拖尾电流的大小不同，导致其动态雪崩耐量也不同。PT-IGBT的雪崩耐量较高，由于沟槽栅FS-IGBT中电场强度呈梯形分布，使雪崩期间芯片内部产生的热量沿纵向分布比较均匀，因而由pn结耗散相同热量时引起的温升较低，而沟槽栅NPT-IGBT中电场强度呈三角形分布，导致热量集中在芯片顶部pn结处，故沟槽栅FS-IGBT的动态雪崩耐量比沟槽栅NPT-IGBT更高。 在制作工艺上，通常在IGBT发射极接触处和发射区正下方的p基区进行硼离子注入形成p++浅基区（称为UIS注入），在接触区挖槽后进行硼离子（B+）注入形成p+区接触区，既可减小接触电阻，也有利于提高IGBT的雪崩耐量。此外，还需考虑衬底材料和制作工艺的均匀性，均匀性越高，越有利于提高雪崩耐量。 从IGBT使用角度应严格控制其集-射极之间所加的电压、开关回路中的杂散电感，以及集电极电流上升率，避免引起高电压尖峰导致IGBT进入动态雪崩。 1.4短路能力 IGBT短路电流值由栅极电压UGE和跨导gm决定。影响短路能力的因素很多，如饱和电压、栅极电压、温度及器件结构、制作工艺及衬底材料等。短路时间tSC与饱和电压UCEsat及栅射电压UGE之间的关系如图4所示。随饱和电压UCEsat的增大，短路时间增加，说明通态压降高的器件，承受短路的时间长，即抗短路能力强。随栅极电压的增加，短路电流增大，短路时间缩短。所以在不影响IGBT导通功耗的情况下，适当降低UGE使其不要进入深饱和区，可降低ISC并增加tSC，有利于提高IGBT抗短路能力。
图4 短路时间与饱和电压及栅射电压之间的关系 短路电流与栅-射极电压及结温的关系如图5所示。随栅-射极电压UGE增加，短路电流与额定电流的比值（ISC/IC） 呈线性增大，并且125℃时的ISC/IC值比25℃时明显下降，这说明高温下IGBT能够承受短路的能力下降。
图5 IGBT短路电流与栅射电压的关系 IGBT抗短路能力的大小很大程度上取决于器件的αpnp。αpnp越低，饱和电压越高，抗短路能力越强。温度升高，αpnp增大，抗短路能力会下降。由于NPT-IGBT中pnp晶体管的αpnp比PT-IGBT的低，所以其抗短路能力比PT-IGBT高。 提高措施：在器件设计时，采用尽可能宽的n-漂移区（即增加pnp晶体管的基区宽度），或者降低集电区的掺杂浓度，以降低pnp晶体管的电流放大系数αpnp。此外，降低元胞的栅源宽度比（WG/WE），也有利于提高器件的抗短路能力。 2、失效分析 IGBT失效主要有以下六种原因：一是过电压失效，包括栅-射极过电压和集-射极过电压；二是过电流失效，包括集电极电流超过额定电流引起的过电流、导通期间的短路电流或浪涌电流；三是过热失效，由于结温过高，超过额定的最高结温，导致器件烧毁；四是闩锁效应，包括静态闩锁效应和动态闩锁效应；五是动态雪崩击穿；六是热电载流子倍增。 2.1超SOA失效 超SOA的失效原因主要是发生闩锁、动态雪崩及超过最高结温而出现烧毁。超SOA失效与IGBT的开关电路有关。 超RBSOA引起的失效，通常位于栅极以外的有源区，但不在键合点上，且损坏面积较小，经常伴有贯穿芯片的熔洞。
图6 超RBSOA引起的失效 2.2过电压失效 由于集-射极出现过电压，通过密勒电容效应反馈到栅极，引起栅极过电压。另外，静电聚积在栅极电容上也会引起栅极过电压，两者都会导致IGBT栅氧化层击穿而失效。 集-射极过电压失效包括产品自身的设计弱点、工作电压超过额定电压及钝化层长期稳定性差等原因，失效位置位于有源区的边缘处，如图7a所示。芯片表面靠近内侧结终端保护环处有小面积烧损。栅-射极过电压失效位于栅极氧化区，但由于栅极氧化区分布于整个芯片面，所以失效点在芯片上的相对位置是随机的。如图7b所示，在芯片表面栅极与发射极隔离区内有熔点，如图7c所示，在芯片表明有源区内有失效点，这都是由于栅氧化层击穿所致。
图7 IGBT的过电压失效 2.3过电流失效 过电流包括平均电流过高、出现浪涌电流或短路电流。过电流引起失效均位于有源区，因平均电流过高引起的熔区面积较大，尺寸超过几毫米；浪涌电流引起的熔区稍小，尺寸约为1mm；短路电流则会导致发射区的大面积烧毁。如图8a，过电流会导致键合线脱落。如图8b，浪涌电流引起的失效通常发生在IGBT有源区键合点周围。由于电路中有效功率较低，过电流脉冲引起的损坏没有短路时的严重，故键合线不会完全脱落。发生这种过电流脉冲失效是由于触发问题，导致IGBT芯片突然流过一个峰值较大的电流脉冲；或者续流二极管反向恢复电流、缓冲电容的放电电流及噪声干扰造成的尖峰电流等瞬态过电流。如图8c，短路失效表现为模块中多个IGBT芯片同时严重烧毁，因为短路电流是从芯片背面的集电极流入正面发射区的键合点，因此烧毁区域可能遍及所有键合点，使键合线脱落。发生短路是因为芯片短路安全工作区不能满足系统设计要求，或者短路安全工 作区发生退化；或者是工况发生异常，回路出现短路且IGBT未能及时被保护；或者因半桥臂出现短路，导致另一半桥臂IGBT被短路而发生短路失效；或工作环境温度升高，导致芯片结温升高，SCSOA缩小；或是控制信号问题，导致IGBT误开关，引起（桥臂）短路失效等。
图8 IGBT的过电流失效形貌 2.4过热失效 过热失效是指IGBT的工作结温超过其允许的最高结温，导致IGBT永久性损坏。过热引起的失效位置通常在芯片表面，芯片表面的焊料被烧熔，如图9a所示；或芯片表面喷涂的聚酰亚胺层起泡如图9b所示。发生这种过热失效是由于实际使用中开关频率过高或电流过高，导致功耗增加；或者是由于装配时导热硅脂涂敷不均、涂敷方法不当、模块及散热器平整度等不能满足要求，导致接触热阻过大，冷却不足，产生的热量无法及时散出。
图9 过热失效形貌 2.5过机械应力失效 过机械应力引起的失效通常发生在陶瓷基板上。发生过机械应力的条件：一是导热硅脂涂抹不均匀，使得底板和散热器的接触不在同一个平面上，在紧固时产生应力导致陶瓷基板破裂；二是紧固力和紧固顺序不合适，在陶瓷基板上产生应力，导致陶瓷基板破裂；三是模块在搬运或应用过程中受到强外力的影响。
图10 安装问题造成陶瓷基板破裂 2.6辐射 宇宙射线对二极管、普通晶闸管及GTO等双极型高压器件的影响与体内局部击穿有关，与结终端的不稳定性无关。高能中子辐照引起位移效应导致电阻率增大、少子寿命缩短及迁移率降低。电磁脉冲对pn结损伤，在pn结反偏时会引起反向漏电或击穿，导致pn结短路。在pn结正偏时会产生很大感应电流，使pn结出现温升过高，引起内部热击穿。 （1）失效率与材料电阻率有关：单位面积失效率用FIT/cm2来表示（1FIT表示109器件工作1h内有一个失效）。对于相同的电压和n-基区厚度，NPT型结构所需的电阻率较低，所以失效率较高。这是因为NPT型器件中三角形分布的峰值电场强度Emax所致。 （2）失效率与器件结构的关系：电压越高、电阻率越低，S越大，失效率越高。在相同S下，GTO的R/ρ远比IGBT的要低。这是由于IGBT中含有MOS结构的缘故。 (3）感生电流脉冲引起的失效：IGBT受到宇宙射线中高能粒子的辐照后，会产生浓度很高的等离子体。当器件反偏工作时，这些等离子体在空间电荷区内分离，会引起很高的感生电流脉冲，由此产生很大的功耗而导致器件局部损坏。 对SJ-IGBT宇宙射线引起的失效率与柱区参数有关。采用超结n-漂移区靠发射极侧的电场被有效抑制，使SJ-IGBT体内的峰值电场强度降低，大大改善了由宇宙辐射感应的击穿率。 （4）单粒子烧毁：IGBT工作在高温潮湿、高海拔及粉尘等环境[如混合动力汽车（HV）]下，由于宇宙射线感生的中子会撞击MOS栅极，积累的能量会引起单粒子烧毁（Single Event Burnout，SEB）。SEB失效是由于中子感生的电子-空穴对引起IGBT闩锁所致。 IGBT结构不同，SEB阈值和失效率不同，SEB失效率随外加电压呈指数增加，并且平面栅PT-IGBT、沟槽栅PT-IGBT及沟槽栅FS-IGBT的SEB阈值电压不同（分别约为580V、700V及1100V），失效率也不同。SEB阈值电压与n-漂移区厚度有关，n-漂移区越厚，pnp晶体管的电流放大系数αpnp越低，有利于抑制闩锁效应。因此沟槽栅FS-IGBT的抗宇宙射线能力最强。平面栅PT-IGBT的SEB阈值最低，更易发生烧毁。 图11为平面栅PT-IGBT的SEB失效图。 由图11a知，SEB使栅极与发射极铝线短路。由图11b知，在n-漂移区存在许多10μm以下的微晶粒和很大的裂缝。通过采用X射线能谱元素成分分析表明，在硅中形成了树状Al结晶。抑制寄生pnp晶体管的电流放大系数对改善IGBT因中子感生的SEB破坏很重要。
图11 SEB导致的芯片表面与剖面的SEM图像
3、应用与发展趋势 3.1发展趋势 可归纳为以下六代： 第一代：采用硅直拉单晶（CZ）外延片，基于DMOS工艺制造的平面栅穿通型结构。 第二代：采用CZ外延片和精细工艺制作的平面栅PT型结构； 第三代：采用CZ外延片制作的沟槽栅（Trench Gate）PT型结构； 第四代：采用硅区熔单晶（FZ）制作的平面栅非穿通型结构； 第五代：采用FZ晶片制作的沟槽栅场阻止（FS）型或弱穿通（LPT）型结构，包含注入增强型（如CSTBT）、逆导（RC）及逆阻（RB）结构； 第六代：在第五代基础上采用更薄的硅片、更精细的元胞结构。 目前，为了实现IGBT低成本和高可靠性的目标，主要通过三个技术途径实现：一是采用精细的元胞结构、逐渐减小芯片面积及不断提高电流密度；二是逐渐减薄芯片厚度；三是逐渐提高芯片最高结温。 IGBT发展可从以下几个方面来说明： （1）目前IGBT芯片的最高容量为6.5kV/200A，最高频率为300kHz。 （2）采用大晶圆片、小芯片面积，可显著降低IGBT的成本。目前IGBT的晶圆尺寸由最早的4in逐渐扩展到5in、6in及8in，面积放大到原来的2.56倍，对应的特征尺寸也由1～2μm减小到0.8μm及0.35μm。芯片面积也大大缩小，如Infineon公司1200V/75A IGBT， 经历六代发展，芯片的尺寸减小到为原来的25%，饱和电压由原来的3.5V左右降到1.5V。 （3）采用薄片工艺，可降低通态功耗，提高IGBT的可靠性。Infineon公司的IGBT从1200V NPT型结构扩展到600V～1.7kV FS型结构。目前，1.2kV IGBT芯片厚度仅为100μm，厚度减薄到原来的45%，2011年已展示出8in、40μm厚的IGBT芯片。 （4）为了降低系统成本，需提高IGBT芯片的最高结温。Infineon公司1700V第四代IGBT最高结温从150℃提高到175℃，功率密度已经从85kW/cm2提高到110kW/cm2。因此，对其中续流二极管的最高结温以及IGBT模块封装结构和连接等其他要求也相应提高。 （5）IGBT未来将继续向大电流、高电压、低功耗、高频率、功能集成化及高可靠性发展，采用大晶圆片，精细元胞图形、沟槽栅结构、电子注入增强结构及薄片加工工艺，其中最具有挑战性的是薄片加工工艺。预计到2020年，晶圆尺寸会扩展到12in，1200V IGBT的芯片厚度仅70μm，Si IGBT的最高结温会达到200℃。 3.2特点与应用范围 IGBT属于电压控制型器件，输入阻抗高。由于导通期间有少子注入，与功率MOS相比，IGBT导通压降较低，但开关速度较慢。在相同的电压和电流下，IGBT的SOA比功率MOS的稍小，但比功率BJT大。IGBT电压范围为（1.2～6.5）kV，远高于功率MOS，并且IGBT能承受比VDMOS高2～3倍的电流密度。IGBT工作频率比功率MOS低，但比GTO高3～4倍。600V IGBT的频率为150kHz，1.2kV的频率为50kHz。IGBT可用于功率MOS和功率BJT两者共同的应用领域。从5kW的分立器件到500kW的IGBT模块，在600V～6.5kV电压、20kHz以上的中频领域内可取代功率BJT、功率MOS及GTO等器件。 独特的优良性能，几乎应用于国民经济的各个领域，包括通信、工业、医疗、家电、照明、交通、新能源、航空、航天及国防等诸多领域，尤其是在中电压、中功率领域应用比较广泛，如电机调速、变频器、逆变器等电力控制方面，开关电源、逆变电源、通信电源及不间断电源等各种电源，汽车点火器、显示驱动器、发动机的动力系统控制，微波炉、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器，太阳电池、风能等新能源及航天领域。 |
