真空回流焊炉/真空焊接炉——IGBT失效分析

对于IGBT来说，无法简单直观地判断实时的损耗程度，因此需要提前预测使用寿命，了解失效原因并加以预防。

IGBT模块在使用中的故障率基本符合下图的浴盆曲线。早期失效期的原因大多为：IGBT模块安装或使用的不当、周边元件的性能稳定性影响，或IGBT模块自身存在缺陷等。关于早期失效的时间定义还有一些争议，一般IGBT厂商认为刚装上变流器，上电不久就失效的则为早期失效；但有些客户则认为装机后运行一两年以内失效的都算早期失效。早期失效一般是客户不能接受的，IGBT和变流器厂家都会做一些测试，尽可能地将早期失效筛选出来。

图1.IGBT模块的时间-故障率关系图

 

偶然失效有些是在使用过程中超过了IGBT的安全限制造成的，一般是设计不当或系统故障造成的，如短路过流、过压、过温等，这些故障一般可通过改进优化或是增加保护结构来避免；有些则是在使用过程中由外力造成的，如宇宙射线造成IGBT失效等，这种失效无法预知何时发生，只能控制失效率。

损耗失效则是物理规律，即使不用，时间足够久也会出现故障问题。损耗失效是指在同等条件下一大批的统计寿命，设备并不会在某一天一大批同时出现故障，而是按照今天坏一个，一周坏三个，一个月坏十个...这样的规律发生，故障率会随着时间越来越高，可靠性越来越差。通常根据IGBT厂家自己定的故障率指标来判断某批产品是否达到更换期限，有的定的标准为B5，有的定的为B10，也就是故障率5%、10%的意思。但这种判断标准必须是持续升高并最终达到100%才符合，如果是使用中偶然出现了5%的故障率，但随着问题被解决后故障率又降了下来，这种情况则不能用上述的判断标准来定义。

另外重要的一点是：产品的可靠性与寿命不是一回事。有些产品设计的使用寿命只有5年，但在5年的使用期限内基本不会出现故障，这种就属于可靠性很高，但使用寿命较短；另一种可能设计的使用寿命达10年，但在使用期限内，经常出现故障，这种则属于使用寿命长，但可靠性较差。在描述一款产品的可靠性和寿命时，常常用FIT值来表达，1FIT代表每10亿小时发生一次失效，用FIT值而不是百分比来表达失效率，可以更直观地体现出产品使用时长的信息。

下面就为大家梳理一下IGBT的各种失效形式：

一．IGBT电气失效
1.过压失效：母线电压、变压器反射电压以及漏极尖峰电压等叠加，当漏源级承受最大单次脉冲能量超过其单脉冲雪崩能量或多次脉冲能量超过其重复雪崩能量时，会发生漏源雪崩；或者栅极产生尖峰电压，栅极是模块中最薄弱的地方，在任何条件下接入的电压必须＜栅极电压，否则会引起击穿，导致IGBT失效。

图2.IGBT因过压被烧毁

 

2.过流失效：异常大的电流和电压同时叠加，会造成瞬态发热，导致IGBT失效。漏源标称电流如果偏小，在设计降额不充裕的系统中可能会引起电流击穿的风险；如果漏源最大脉冲电流、最大连续续流电流、最大脉冲续流电流偏小，系统发生过流或过载，同样也会发生电流击穿。

图3.阳极的绑定线及周围因过流被烧毁

 

3.过温失效：三相桥臂门极开关瞬态开通不一致，极限情况下造成单管承受了所有的相电流；或是MOS管内阻及功率回路抗扰差异，导致稳态不均流；以及晶圆与引线框架、引线框架与PCB铜箔之间存在空洞，局部温度升高，引起IGBT模块温度过高，发生过温失效。发生过温失效的直接原因是温升超过结温及贮存温度，如果系统设计时把模块的结到封装的热阻、封装到散热片的热阻以及结到空气的热阻设计得尽量小，系统散热就会越快；或者导通电阻值越小，工作时损耗越小，温升越慢，发生过温失效的几率就会越小。

图4.绑定线及铝层因过温而熔化图5.底部的焊锡因过温而熔化溢出

 

二．IGBT模块老化失效
1.绑定线失效：目前IGBT模块应用比较多的是铝绑定线，反复的热应力下，绑定线不可避免承受疲劳应力，典型的失效模式有绑定线疲劳开裂和绑定线疲劳脱落两种。大电流IGBT模块通常用几根绑定线分担电流，其中一根绑定线损坏脱落，其它绑定线会承受更大的电流从而加速损坏；疲劳还会导致损耗增加，可能引起芯片过热失效。

图6.绑定线开裂图7.绑定线脱落

 

2.金属化重构：随着功率循环次数的增加，芯片表面铝金属层出现退化、晶粒增大、铝层挤压的现象，金属化层重构会造成层电阻增加，从而导致IGBT饱和压力参数的上升；还可能造成有效的芯片元胞面积减少，造成局部的热点或烧熔。

图8.金属化层重构示意图

 

3.焊接层退化：模块内部，DCB板与芯片、DCB板与基板之间的连接目前大多通过焊接完成，长期的热循环应力会导致焊接层脆化、开裂。焊接时的空洞问题，以及后期形成的空洞也会导致焊接层的退化，对模块的热阻影响很大，随着空洞的增多和加大，散热效率会逐渐降低，从而导致芯片过热失效。

 

三．其他
1.腐蚀：空气中的水气会对IGBT造成腐蚀，导致失效。常见的腐蚀有电极腐蚀：腐蚀导致电极材料损耗，电气性能下降；键合线腐蚀：键合线受腐蚀后，电阻增加，甚至断裂；封装材料老化：腐蚀环境加速封装材料的老化，导致保护失效。

2.震动：在运输或者使用过程中，如因抗振震设计不合理、未使用软母排线等原因，可能导致内部元件因震动产生故障，造成IGBT失效。

图9.集电极端子因震动产生裂痕

 

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