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摘 要：如今，IGBT已成为热门的功率电子器件，由于IGBT具备出色的性能以及可靠性高，并被广泛地应用在各种军用与民用电子设备当中。但是，我国现阶段研发能力有限，许多高精度设备的IGBT器件只有引进国外工业级产品。如何保障此类产品的有效性并提升家用IGBT产品的可靠性是迫切需要探讨分析的问题。直至现在，我国对IGBT的研究仍然不足。 如何准确有效地确定其失效机理和关键失效部位，如何建立准确的失效物理模型，如何进行电子产品的加速寿命测试，以及在多重应力下建立电子设备的加速寿命模型。以上均是我国在开发高性能与高质量IGBT的同时需要处理的关键问题。
关键词：IGBT;失效分析;加速寿命模型
IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融合了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。
1.、IGBT失效故障物理模型的原因及保护方法
1.1造成失效的原因
（1）过热容易造成集电极损坏
电流过大引起的瞬时过热及其主要原因，是因散热不良导致的持续过热均会使IGBT损坏。如果器件持续短路 ，大电流产生的功耗将引起温升，由于芯片的热容量小，其温度迅速上升，若芯片温度超过硅本征温度，器件将失去阻断能力，栅极控制就无法保护，从而导致IGBT失效。实际应用时，一般最高允许的工作温度为125℃左右。
（2）超出关断安全工作区引起擎住效应而损坏
擎住效应分静态擎住效应和动态擎住效应。IGBT为PNPN 4层结构，因体内存在一个寄生晶闸管，当集电极电流增大到一定程度时，则能使寄生晶闸管导通，门极失去控制作用，形成自锁现象，这就是所谓的静态擎住效应。IGBT发生擎住效应后，集电极电流增大，产生过高功耗，导致器件失效。动态擎住效应主要是在器件高速关断时电流下降太快，dvCE/dt很大，引起较大位移电流，也能造成寄生晶闸管自锁。
另外，瞬态过电流IGBT在运行过程中所承受的大幅值过电流除短路、直通等故障外，还有续流二极管的反向恢复电流、缓冲电容器的放电电流及噪声干扰造成的尖峰電流。这种瞬态过电流虽然持续时间较短，但如果不采取措施，将增加IGBT的负担，也可能会导致IGBT失效。
1.2对IGBT保护的方法
（1）立即关断驱动信号
在逆变电源的负载过大或输出短路的情况下，通过逆变桥输入直流母线上的电流传感器进行检测。当检测电流值超过设定的阈值时，保护动作封锁所有桥臂的驱动信号。这种保护方法最直接，但吸收电路和箝位电路必须经特别设计，使其适用于短路情况。这种方法的缺点是会造成IGBT关断时承受应力过大，特别是在关断感性超大电流时， 必须注意擎住效应。
（2）先减小栅压后关断驱动信号
IGBT的短路电流和栅压有密切关系，栅压越高，短路时电流就越大。在短路或瞬态过流情况下若能在瞬间将vGS分步减少或斜坡减少，这样短路电流便会减小下来，长允许过流时间。当IGBT关断时，di/dt也减小。限制过电流幅值。
（3）加速寿命试验概念
加速寿命试验（ALT）只对元器件、材料和工艺方法进行，用于确定元器件、材料及生产工艺的寿命。其目的不是暴露缺陷，而是识别及量化在使用寿命末期导致产品损耗的失效及其失效机理。有时产品的寿命很长，为了给出产品的寿命期，加速寿命试验必须进行足够长的时间。
加速寿命试验（ALT）是基于如下假设：即受试品在短时间、高应力作用下表现出的特性与产品在长时间、低应力作用下表现出来的特性是一致的。为了缩短试验时间，采用加速应力，即所谓高加速寿命试验（HALT）。？加速寿命试验（ALT）提供了产品预期磨损机理的有价值数据，这在当今的市场上是很关键的，因为越来越多的消费者对其购买的产品提出了使用寿命要求。估计使用寿命仅仅是加速寿命试验的用处之一。它能使设计者和生产者对产品有更全面的了解，识别出关键的元器件、材料和工艺，并根据需要进行改进及控制。另外试验得出的数据使生产厂商和消费者对产品有充分的信心。加速寿命试验的对象是抽样产品。目前国内能实施加速寿命试验（ALT）的实验室好像就环境可靠性与电磁兼容试验中心。
3.电子器件加速寿命试验失效机理的分析
举例采用电子封装。电子封装相邻层之间材料的热膨胀系数是不同的。在热循环负载的影响下，很容易在焊料层，焊线和其他易损部件中引起空隙和裂纹，从而影响整个器件的可靠性。 产生非常严重的负面影响。 在实际应用和研究中，许多封装故障是由分层，电化学腐蚀，钝化裂纹，粘结裂纹或晶片裂纹引起的。焊点裂纹通常发生在电子部件的铜线和焊料之间的界面处。焊点裂纹通常是由温度变化引起的，温度的剧烈变化将导致不同材料的热膨胀率不平衡。产生的焊点应力变化最终将导致焊点疲劳失效，温度变化，热膨胀系数差异和封装尺寸。温度越高，引起电子设备故障的可能性越大。封装内部的连接失败也可能导致电子设备发生故障，例如在基板上缺少通孔和焊点，并且芯片与基板之间的连接会中断。由于所有高分子化合物都可渗透湿气，因此湿气扩散到封装中可能会导致电路线键合或芯片的半金属化。对于在恶劣环境中使用的包装，由空气污染引起的腐蚀也是一个问题，并且由于湿度的变化，被腐蚀的物体也会发生变化。 一个非常重要的失效机理是保护层和包装的分层，这也与湿度的增加有关。电化学迁移还会导致高密度连接之间的可靠性问题。这可以定义为离子通过电化学介质在两个金属涂层之间的迁移，化学沉淀物也替代了晶体树枝状或树枝状沉淀，实际上，这种沉淀物还会在包装后引起装置的泄漏和实质性故障。
结语：
本文对IGBT失效原因重点只考虑到了温度，在对IGBT 器件的疲劳寿命进行预测时也应该考虑多个失效机制之间的关系，因此在后续的分析中希望可以考虑多重失效机制，建立更为完善准确的失效物理模型。
参考文献：
[1]郭来小. IGBT基于故障物理的失效分析及电子器件加速寿命模型的研究[D].电子科技大学，2018.
[2]袁慧宇，周军，欧阳佳佳，盛兴，孙小菡. 基于加压的存储态真空电子器件加速寿命方法[A]. 中国电子学会真空电子学分会、微波电真空器件国家级重点实验室.2016真空电子学分会第二十届学术年会论文集（下）[C].中国电子学会真空电子学分会、微波电真空器件国家级重点实验室：中国电子学会真空电子学分会，2016：4.
（格力电器（杭州）有限公司，浙江 杭州 310000）
关键词：IGBT;失效分析;加速寿命模型
IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融合了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。
1.、IGBT失效故障物理模型的原因及保护方法
1.1造成失效的原因
（1）过热容易造成集电极损坏
电流过大引起的瞬时过热及其主要原因，是因散热不良导致的持续过热均会使IGBT损坏。如果器件持续短路 ，大电流产生的功耗将引起温升，由于芯片的热容量小，其温度迅速上升，若芯片温度超过硅本征温度，器件将失去阻断能力，栅极控制就无法保护，从而导致IGBT失效。实际应用时，一般最高允许的工作温度为125℃左右。
（2）超出关断安全工作区引起擎住效应而损坏
擎住效应分静态擎住效应和动态擎住效应。IGBT为PNPN 4层结构，因体内存在一个寄生晶闸管，当集电极电流增大到一定程度时，则能使寄生晶闸管导通，门极失去控制作用，形成自锁现象，这就是所谓的静态擎住效应。IGBT发生擎住效应后，集电极电流增大，产生过高功耗，导致器件失效。动态擎住效应主要是在器件高速关断时电流下降太快，dvCE/dt很大，引起较大位移电流，也能造成寄生晶闸管自锁。
另外，瞬态过电流IGBT在运行过程中所承受的大幅值过电流除短路、直通等故障外，还有续流二极管的反向恢复电流、缓冲电容器的放电电流及噪声干扰造成的尖峰電流。这种瞬态过电流虽然持续时间较短，但如果不采取措施，将增加IGBT的负担，也可能会导致IGBT失效。
1.2对IGBT保护的方法
（1）立即关断驱动信号
在逆变电源的负载过大或输出短路的情况下，通过逆变桥输入直流母线上的电流传感器进行检测。当检测电流值超过设定的阈值时，保护动作封锁所有桥臂的驱动信号。这种保护方法最直接，但吸收电路和箝位电路必须经特别设计，使其适用于短路情况。这种方法的缺点是会造成IGBT关断时承受应力过大，特别是在关断感性超大电流时， 必须注意擎住效应。
（2）先减小栅压后关断驱动信号
IGBT的短路电流和栅压有密切关系，栅压越高，短路时电流就越大。在短路或瞬态过流情况下若能在瞬间将vGS分步减少或斜坡减少，这样短路电流便会减小下来，长允许过流时间。当IGBT关断时，di/dt也减小。限制过电流幅值。
（3）加速寿命试验概念
加速寿命试验（ALT）只对元器件、材料和工艺方法进行，用于确定元器件、材料及生产工艺的寿命。其目的不是暴露缺陷，而是识别及量化在使用寿命末期导致产品损耗的失效及其失效机理。有时产品的寿命很长，为了给出产品的寿命期，加速寿命试验必须进行足够长的时间。
加速寿命试验（ALT）是基于如下假设：即受试品在短时间、高应力作用下表现出的特性与产品在长时间、低应力作用下表现出来的特性是一致的。为了缩短试验时间，采用加速应力，即所谓高加速寿命试验（HALT）。？加速寿命试验（ALT）提供了产品预期磨损机理的有价值数据，这在当今的市场上是很关键的，因为越来越多的消费者对其购买的产品提出了使用寿命要求。估计使用寿命仅仅是加速寿命试验的用处之一。它能使设计者和生产者对产品有更全面的了解，识别出关键的元器件、材料和工艺，并根据需要进行改进及控制。另外试验得出的数据使生产厂商和消费者对产品有充分的信心。加速寿命试验的对象是抽样产品。目前国内能实施加速寿命试验（ALT）的实验室好像就环境可靠性与电磁兼容试验中心。
3.电子器件加速寿命试验失效机理的分析
举例采用电子封装。电子封装相邻层之间材料的热膨胀系数是不同的。在热循环负载的影响下，很容易在焊料层，焊线和其他易损部件中引起空隙和裂纹，从而影响整个器件的可靠性。 产生非常严重的负面影响。 在实际应用和研究中，许多封装故障是由分层，电化学腐蚀，钝化裂纹，粘结裂纹或晶片裂纹引起的。焊点裂纹通常发生在电子部件的铜线和焊料之间的界面处。焊点裂纹通常是由温度变化引起的，温度的剧烈变化将导致不同材料的热膨胀率不平衡。产生的焊点应力变化最终将导致焊点疲劳失效，温度变化，热膨胀系数差异和封装尺寸。温度越高，引起电子设备故障的可能性越大。封装内部的连接失败也可能导致电子设备发生故障，例如在基板上缺少通孔和焊点，并且芯片与基板之间的连接会中断。由于所有高分子化合物都可渗透湿气，因此湿气扩散到封装中可能会导致电路线键合或芯片的半金属化。对于在恶劣环境中使用的包装，由空气污染引起的腐蚀也是一个问题，并且由于湿度的变化，被腐蚀的物体也会发生变化。 一个非常重要的失效机理是保护层和包装的分层，这也与湿度的增加有关。电化学迁移还会导致高密度连接之间的可靠性问题。这可以定义为离子通过电化学介质在两个金属涂层之间的迁移，化学沉淀物也替代了晶体树枝状或树枝状沉淀，实际上，这种沉淀物还会在包装后引起装置的泄漏和实质性故障。
结语：
本文对IGBT失效原因重点只考虑到了温度，在对IGBT 器件的疲劳寿命进行预测时也应该考虑多个失效机制之间的关系，因此在后续的分析中希望可以考虑多重失效机制，建立更为完善准确的失效物理模型。
参考文献：
[1]郭来小. IGBT基于故障物理的失效分析及电子器件加速寿命模型的研究[D].电子科技大学，2018.
[2]袁慧宇，周军，欧阳佳佳，盛兴，孙小菡. 基于加压的存储态真空电子器件加速寿命方法[A]. 中国电子学会真空电子学分会、微波电真空器件国家级重点实验室.2016真空电子学分会第二十届学术年会论文集（下）[C].中国电子学会真空电子学分会、微波电真空器件国家级重点实验室：中国电子学会真空电子学分会，2016：4.
（格力电器（杭州）有限公司，浙江 杭州 310000）