IGBT及其子器件的四種失效模式比較

由圖6可以看出：

（1） 緊隨器件關(guān)斷后，初始拖尾電流電平（lio）直至失效的延遲時間是由能量決定的，或者說由器件關(guān)斷后的溫度決定的。能量越大，拖尾電流電平也越高，失效的延遲時間則越短。例如，圖中給出的最大能量是Tsc=60us，這時，Tds趨向一個極小值。

（2） 當(dāng)Tsc=33us時，屬于EEC狀態(tài)，不發(fā)生延遲失效。

當(dāng)Tsc=35us，Tds=25us，開始出現(xiàn)熱擊穿。

4.2管殼溫度的影響

管殼溫度對臨界能量EC的影響最大，管殼溫度升高，EC就下降，測量SGW15N60的結(jié)果是：

溫度：25℃125℃

EC：0.81J0.62J

4.3集電極電壓的影響

集電極電壓升高，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類似，但是，臨界能理值EC比NPT—IGBT低。例如：在125℃，短路電壓Vsc=400V時：

600V PT—IGBT（IRGP20u）：EC=0.37J

600V NPT—IGBT(SGW15N60):EC=0.62J

4.5結(jié)果

（1）每次短路周期耗散的能量E小于由被測電路電壓Vce、短路持續(xù)時間Tsc和管殼溫度決定的臨界能量Ec時，IGBT可以連續(xù)承受104次以上短路沖擊才失效。

（2）在可比的條件下，當(dāng)E>EC時，一次短路就失效。

（3）NPT—IGBT比PT—IGBT能承受較大的能量沖擊。

5、靜電放電保護(hù)用高壓NPN管的硅熔融

在失效的硅器件表面，常常觀察到硅熔融，而導(dǎo)致硅熔融的原因卻不只一個。例如：器件短路和開關(guān)時的瞬間大電流，正向工作區(qū)域或熱工作區(qū)出現(xiàn)二次擊穿損傷等到。因此要對靜電敏感的器件和電路的輸入/輸出（I/O）端增設(shè)靜電放電（ESD）保護(hù)裝置。而ESD保護(hù)裝置的器件的硅熔融，也是使被保護(hù)的器件和電路失效的原因之一。在本文引言中曾提到汽車應(yīng)用的器件，其中原因失效要退貨的數(shù)量中，有30%的失效與ESD有關(guān)。由于I/O端的規(guī)范不同，需要及時對器件和電路進(jìn)行再設(shè)計。同時，為了減少試驗成本，提高可靠性，需要采用計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)（TCAD）。

圖7是晶體管的正向擊穿特性，圖7中的VT·是器件的損傷點(diǎn)，其定義有以下三種設(shè)定：

（1） 器件的漏泄電流大于某一臨界值即定為器件失效。但它忽略了硅熔融和氧化層的擊穿；

（2） 器件出現(xiàn)強(qiáng)烈電壓崩潰的二次擊穿時定為器件失效，但有時器件達(dá)到大電流范圍也不出現(xiàn)二次擊穿。

（3） 當(dāng)器件的載流子碰撞電離Gi等于肖克萊—里德—霍爾（Shockley—Read—Hall）復(fù)合率，同時，總電流隨電壓反向增加時定為器件失效。

為了驗證第（3）種假設(shè)，予測二次擊穿管點(diǎn)，用0.35um特征尺寸的功率集成電路工藝設(shè)計了ESD防護(hù)用的標(biāo)準(zhǔn)高壓NPN管，并將基極—發(fā)射極接地。

圖8是NPN管測量的和用（2）假定來模擬的I-V特性。由圖8可見，測量的損傷電流IT2=1.5A,而模擬值是1..8A，有較大誤差。圖9是用（3）假設(shè)外推的結(jié)果。其模擬值是1.52A，相當(dāng)一致。

圖10是1A電流應(yīng)力下，模擬顯示該器件有兩個熱點(diǎn)。一個在收集極觸點(diǎn)下，損傷電流IT2=1.52A；另一個熱點(diǎn)在發(fā)射極之下，用外推法算出的損傷電流遠(yuǎn)大于2A。所以，首先出現(xiàn)導(dǎo)致失效的硅熔融點(diǎn)應(yīng)在收集極。圖11是該器件失效照片。證明此結(jié)果。

本案例說明：（1）ESD防護(hù)器件的失效也是實際器件和電路失效的一種模式。（2）防護(hù)用的NPN管的損傷點(diǎn)可以用TCAD獲得。