真空回流焊爐/真空焊接爐——IGBT失效分析

對于IGBT來說，無法簡單直觀地判斷實時的損耗程度，因此需要提前預(yù)測使用壽命，了解失效原因并加以預(yù)防。

IGBT模塊在使用中的故障率基本符合下圖的浴盆曲線。早期失效期的原因大多為：IGBT模塊安裝或使用的不當(dāng)、周邊元件的性能穩(wěn)定性影響，或IGBT模塊自身存在缺陷等。關(guān)于早期失效的時間定義還有一些爭議，一般IGBT廠商認為剛裝上變流器，上電不久就失效的則為早期失效；但有些客戶則認為裝機后運行一兩年以內(nèi)失效的都算早期失效。早期失效一般是客戶不能接受的，IGBT和變流器廠家都會做一些測試，盡可能地將早期失效篩選出來。

偶然失效有些是在使用過程中超過了IGBT的安全限制造成的，一般是設(shè)計不當(dāng)或系統(tǒng)故障造成的，如短路過流、過壓、過溫等，這些故障一般可通過改進優(yōu)化或是增加保護結(jié)構(gòu)來避免；有些則是在使用過程中由外力造成的，如宇宙射線造成IGBT失效等，這種失效無法預(yù)知何時發(fā)生，只能控制失效率。

損耗失效則是物理規(guī)律，即使不用，時間足夠久也會出現(xiàn)故障問題。損耗失效是指在同等條件下一大批的統(tǒng)計壽命，設(shè)備并不會在某一天一大批同時出現(xiàn)故障，而是按照今天壞一個，一周壞三個，一個月壞十個...這樣的規(guī)律發(fā)生，故障率會隨著時間越來越高，可靠性越來越差。通常根據(jù)IGBT廠家自己定的故障率指標(biāo)來判斷某批產(chǎn)品是否達到更換期限，有的定的標(biāo)準(zhǔn)為B5，有的定的為B10，也就是故障率5%、10%的意思。但這種判斷標(biāo)準(zhǔn)必須是持續(xù)升高并最終達到100%才符合，如果是使用中偶然出現(xiàn)了5%的故障率，但隨著問題被解決后故障率又降了下來，這種情況則不能用上述的判斷標(biāo)準(zhǔn)來定義。

另外重要的一點是：產(chǎn)品的可靠性與壽命不是一回事。有些產(chǎn)品設(shè)計的使用壽命只有5年，但在5年的使用期限內(nèi)基本不會出現(xiàn)故障，這種就屬于可靠性很高，但使用壽命較短；另一種可能設(shè)計的使用壽命達10年，但在使用期限內(nèi)，經(jīng)常出現(xiàn)故障，這種則屬于使用壽命長，但可靠性較差。在描述一款產(chǎn)品的可靠性和壽命時，常常用FIT值來表達，1FIT代表每10億小時發(fā)生一次失效，用FIT值而不是百分比來表達失效率，可以更直觀地體現(xiàn)出產(chǎn)品使用時長的信息。

下面就為大家梳理一下IGBT的各種失效形式：

一．IGBT電氣失效
1.過壓失效：母線電壓、變壓器反射電壓以及漏極尖峰電壓等疊加，當(dāng)漏源級承受最大單次脈沖能量超過其單脈沖雪崩能量或多次脈沖能量超過其重復(fù)雪崩能量時，會發(fā)生漏源雪崩；或者柵極產(chǎn)生尖峰電壓，柵極是模塊中最薄弱的地方，在任何條件下接入的電壓必須＜柵極電壓，否則會引起擊穿，導(dǎo)致IGBT失效。

2.過流失效：異常大的電流和電壓同時疊加，會造成瞬態(tài)發(fā)熱，導(dǎo)致IGBT失效。漏源標(biāo)稱電流如果偏小，在設(shè)計降額不充裕的系統(tǒng)中可能會引起電流擊穿的風(fēng)險；如果漏源最大脈沖電流、最大連續(xù)續(xù)流電流、最大脈沖續(xù)流電流偏小，系統(tǒng)發(fā)生過流或過載，同樣也會發(fā)生電流擊穿。

3.過溫失效：三相橋臂門極開關(guān)瞬態(tài)開通不一致，極限情況下造成單管承受了所有的相電流；或是MOS管內(nèi)阻及功率回路抗擾差異，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)不均流；以及晶圓與引線框架、引線框架與PCB銅箔之間存在空洞，局部溫度升高，引起IGBT模塊溫度過高，發(fā)生過溫失效。發(fā)生過溫失效的直接原因是溫升超過結(jié)溫及貯存溫度，如果系統(tǒng)設(shè)計時把模塊的結(jié)到封裝的熱阻、封裝到散熱片的熱阻以及結(jié)到空氣的熱阻設(shè)計得盡量小，系統(tǒng)散熱就會越快；或者導(dǎo)通電阻值越小，工作時損耗越小，溫升越慢，發(fā)生過溫失效的幾率就會越小。

二．IGBT模塊老化失效
1.綁定線失效：目前IGBT模塊應(yīng)用比較多的是鋁綁定線，反復(fù)的熱應(yīng)力下，綁定線不可避免承受疲勞應(yīng)力，典型的失效模式有綁定線疲勞開裂和綁定線疲勞脫落兩種。大電流IGBT模塊通常用幾根綁定線分擔(dān)電流，其中一根綁定線損壞脫落，其它綁定線會承受更大的電流從而加速損壞；疲勞還會導(dǎo)致?lián)p耗增加，可能引起芯片過熱失效。

2.金屬化重構(gòu)：隨著功率循環(huán)次數(shù)的增加，芯片表面鋁金屬層出現(xiàn)退化、晶粒增大、鋁層擠壓的現(xiàn)象，金屬化層重構(gòu)會造成層電阻增加，從而導(dǎo)致IGBT飽和壓力參數(shù)的上升；還可能造成有效的芯片元胞面積減少，造成局部的熱點或燒熔。

3.焊接層退化：模塊內(nèi)部，DCB板與芯片、DCB板與基板之間的連接目前大多通過焊接完成，長期的熱循環(huán)應(yīng)力會導(dǎo)致焊接層脆化、開裂。焊接時的空洞問題，以及后期形成的空洞也會導(dǎo)致焊接層的退化，對模塊的熱阻影響很大，隨著空洞的增多和加大，散熱效率會逐漸降低，從而導(dǎo)致芯片過熱失效。

三．其他
1.腐蝕：空氣中的水氣會對IGBT造成腐蝕，導(dǎo)致失效。常見的腐蝕有電極腐蝕：腐蝕導(dǎo)致電極材料損耗，電氣性能下降；鍵合線腐蝕：鍵合線受腐蝕后，電阻增加，甚至斷裂；封裝材料老化：腐蝕環(huán)境加速封裝材料的老化，導(dǎo)致保護失效。

2.震動：在運輸或者使用過程中，如因抗振震設(shè)計不合理、未使用軟母排線等原因，可能導(dǎo)致內(nèi)部元件因震動產(chǎn)生故障，造成IGBT失效。

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