IGBT及其子器件的四种失效模式比较

4、  IGBT寿命期限内，有限次数短路脉冲冲击的累积损伤失效
      在寿命期限内，IGBT会遇到在短路、雪崩等恶劣条件下工作，它能承受短路脉冲冲击的次数是有限的，并和相关条件有关。

4.1非穿通型（NPT）IGBT的鲁棒性
被测器件是SGW15N120。在540V 125℃时测试。X轴是耗散的能量。Y轴是器件直至损坏的短路周期次数。在给定条件下，器件有一个临界能量：
EC=V·I·TSC=1.95J（焦耳）
式中，TSC是短路持续时间
当E>EC时，，第一次短路就使器件失效。
当E<EC时，大约要经历104次短路以上，器件会因周期性的能量累积退化使它失效。
当E=EC时，器件失效模式不明确。当能量等于或稍等于EC时，器件关断后，器件的拖尾电流，经过一段延迟时间td f ，将导致热击穿。这段延缓性失效时间为微秒级。
 

（1）       紧随器件关断后，初始拖尾电流电平（lio）直至失效的延迟时间是由能量决定的，或者说由器件关断后的温度决定的。能量越大，拖尾电流电平也越高，失效的延迟时间则越短。例如，最大能量是Tsc=60us，这时，Tds趋向一个极小值。（2）       当Tsc=33us时，属于E<EC状态，不发生延迟失效。当Tsc=35us，Tds=25us，开始出现热击穿。

4.2管壳温度的影响

管壳温度对临界能量EC的影响最大，管壳温度升高，EC就下降，测量SGW15N60的结果是：

温度：25℃125℃

EC：0.81J0.62J

4.3集电极电压的影响

集电极电压升高，EC就下降：

VC：250V540V

EC：2.12J1.95J

4.4穿通型（PI）IGBT

    PT—IGBT的短路失效特性和NPT—IGBT类似，但是，临界能理值EC比NPT—IGBT低。例如：在125℃，短路电压Vsc=400V时：

    600V PT—IGBT（IRGP20u）：EC=0.37J

600V NPT—IGBT(SGW15N60):EC=0.62J

4.5结果

（1）每次短路周期耗散的能量E小于由被测电路电压Vce、短路持续时间Tsc和管壳温度决定的临界能量Ec时，IGBT可以连续承受104次以上短路冲击才失效。

（2）在可比的条件下，当E>EC时，一次短路就失效。

（3）NPT—IGBT比PT—IGBT能承受较大的能量冲击。

5、静电放电保护用高压NPN管的硅熔融

在失效的硅器件表面，常常观察到硅熔融，而导致硅熔融的原因却不只一个。例如：器件短路和开关时的瞬间大电流，正向工作区域或热工作区出现二次击穿损伤等到。因此要对静电敏感的器件和电路的输入/输出（I/O）端增设静电放电（ESD）保护装置。而ESD保护装置的器件的硅熔融，也是使被保护的器件和电路失效的原因之一。在本文引言中曾提到汽车应用的器件，其中原因失效要退货的数量中，有30%的失效与ESD有关。由于I/O端的规范不同，需要及时对器件和电路进行再设计。同时，为了减少试验成本，提高可靠性，需要采用计算机辅助设计技术（TCAD）。

VT·是器件的损伤点，其定义有以下三种设定：

（1）              器件的漏泄电流大于某一临界值即定为器件失效。但它忽略了硅熔融和氧化层的击穿；

（2）              器件出现强烈电压崩溃的二次击穿时定为器件失效，但有时器件达到大电流范围也不出现二次击穿。

（3）              当器件的载流子碰撞电离Gi等于肖克莱—里德—霍尔（Shockley—Read—Hall）复合率，同时，总电流随电压反向增加时定为器件失效。

为了验证第（3）种假设，予测二次击穿管点，用0.35um特征尺寸的功率集成电路工艺设计了ESD防护用的标准高压NPN管，并将基极—发射极接地。

测量的损伤电流IT2=1.5A,而模拟值是1..8A，有较大误差。其模拟值是1.52A，相当一致。