IGBT及其子器件的四种失效模式介绍

IGBT及其派生器件

    例如：IGCT，是MOS和双极集成的混合型半导体功率器件。因此，IGBT的失效模式，既有其子器件MOS和双极的*失效模式，还有混合型*的失效模式。MOS是静电极敏感器件，因此，IGBT也是静电极敏感型器件，其子器件还应包括静电放电（SED）防护器件。据报道，失效的半导体器件中，由静电放电及相关原因引起的失效，占很大的比例。例如：汽车行业由于失效而要求退货的器件中，其中由静电放电引起的失效就占约30%。本文通过案例和实验，概述IGBT及其子器件的四种失效模式：（1） MOS栅击穿；（2） IGBT——MOS阈值电压漂移；（3） IGBT寿命期内有限次连续短路脉冲冲击的累积损伤；（4） 静电放电保护用高压npn管的硅熔融。
    MOS栅击穿IGBT器件的剖面和等效电路见图1。由图1可见，IGBT是由一个MOS和一个npnp四层结构集成的器件。而MOS是金属—氧化物—半导体场效应管的简称。其中，氧化物通常是硅衬底上氧化而生成的SIO2，有时还迭加其他的氧化物层，例如Si3N4，Al2O3。通常设计这层SiO2的厚度ts：微电子系统：ts<1000A电力电子系统：ts≥1000A。SiO2，介质的击穿电压是1×1019V/m。那么，MOS栅极的击穿电压是100V左右。人体产生的静电强度U：湿度：10-20%，U＞18000V；60-90%时，U≥1500V。上述数据表明，不附加静电保护的MOS管和MOS集成电路（IC），只要带静电的人体接触它，MOS的绝缘栅就一定被击穿。案例：上世纪六十年代后期，某研究所研制的MOS管和MOS集成电路。不管是安装在印刷电路板上还是存放在盒中的此种器件，都出现莫名其妙的失效。因此，给MOS一个绰号：摸死管。如果这种“摸死”问题不解决，我国*台具有自主知识产权的MOS集成电路微型计算机就不可能在1969年诞生。经过一段时间的困惑，开始怀疑静电放电的作用。为了验证，准备了10支栅极无任何防护的MOS管，用晶体管特性测试仪重新测试合格后，即时将该器件再往自己身上摩擦一下再测特性，结果发现：*栅击穿！随后，在MOS管的栅极一源极之间反并联一个二极管，问题就基本解决。意外的结果：“摸死管”成了一句引以为戒的警语。该研究所内接触和应用MOS管MOS-IC的同事，对静电放电对器件的破坏性影响都有了深刻的体验。
    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NPT—IGBT的鲁棒性见图5，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。由图5可见，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，，*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。图6给出不同短路续时间TSC，IGBT测量的短路电流波形。