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IGBT的几种失效模式

更新时间：2019-12-14 09:07:22 大小：2M 上传用户：xuzhen1查看TA发布的资源 标签：igbt 下载积分：0分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(1) 举报

资料介绍

摘要：本文通过案例和实验，概述了四种IGBT及其子器件的失效模式： MOS栅

击穿、IGBT-MOS阈值电压漂移、IGBT有限次连续短路脉冲冲击的积累损伤和静

电保护用高压npn 管的硅熔融。

1、引言$ H:

. V5 O" \" _. E) T3 I

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和双极的特有失效模式，还有混合

型特有的失效模式。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： 5 U3 s. ?; Y" i2

@( g- h. T

（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 R& I, x9 ]: G3

（4） 静电放电保护用高压npn 管的硅熔融。

$ E. k2 S6 w( Z# S3 O9 D& q" e* Q

2、 MOS栅击穿

IGBT器件的剖面和等效电路见图1。

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IGBT及其子器件的几种失效模式  
摘要：本文通过案例和实验，概述了四种 IGBT及其子器件的失效模式： MOS栅  
击穿、IGBT-MOS阈值电压漂移、 IGBT有限次连续短路脉冲冲击的积累损伤和静  
电保护用高压 npn 管的硅熔融。  
1、 引言$ H:  
. V5 O" \" _. E) T3 I  
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和双极的特有失效模式，还有混合  
型特有的失效模式。 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： 5 U3s. ?; Y" i2  
@( g- h. T  
（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 R&I, x9 ]: G3  
（4） 静电放电保护用高压 npn 管的硅熔融。  
$ E. k2 S6 w( Z# S3 O9 D& q" e* Q  
2、 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<1000A9 M$ D4 W# N- R4 _, h! r  
电力电子系统： ts 1000A。  
; A5 k( `, o$ G! V5 L2 x  
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：' Q9 N( e, C$ X4 D r9 d1 B  
湿度：10-20%，U＞18000V；60-90%时，U 1500V。; P4 L! q4 P$ Z N3 C |1  
A
, z! b9 z4 z/ N3 L  
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。  
7 M1 P8 Z( {' A) z) D  
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。 / U( i. W4 |8 _! y  
! u% @- K3 d9 o) R; d7 i, T  
如果这种“摸死”问题不解决， 我国第一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：100%  
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  
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。  
o# g- h  
MOS  
M( u.  
3、 IGBT ——MOS阈值电压漂移——一种可能隐藏的失效模式 %W6A8 b4 j: f5  
y# v% s$ @  
MOS管的阈值电压 Vth 的方程式： ' x5 e3 |# U8 i% b( x' _( n  
（1）  
- z' Q% ^7 ]% R2 k; l3 r' e  
式中 VSS=表面态阈值电压， Vhh =本征阈值电压，  
常数/ J0 c3 J0 I+ M6 _/ L( J# D% I  
( 费米势) ，  
N=硅衬底杂质浓度。  

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