IGBT失效模式与机理研究

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）作为电力电子领域的核心器件，其失效模式和机理一直是研究的重点。IGBT的失效不仅会影响设备的正常运行，还可能导致严重的安全事故。尤其是IGBT作为电驱主要的功率器件用于电动汽车中出现失效时，真可能存在车毁人亡的情况。

一、IGBT主要失效模式与失效机理

以下将详细介绍IGBT主要失效模式与失效机理：

1. 键合线失效

（1）失效模式

键合线失效主要表现为键合线脱落、断裂或磨损。在高压大功率IGBT模块内部，多芯片和大量键合线共同构成器件，而铝键合线脱落或者断裂是导致器件功能失效的重要原因之一。

（2）失效机理

在功率循环过程中，由于电流的热效应，IGBT芯片会产生温度变化，进而导致芯片与基板之间产生热膨胀系数差异。这种差异会引起键合线承受机械应力，长期作用下，键合线会出现疲劳损伤，最终导致断裂。此外，大电流密度也会使键合线产生电迁移现象，加速键合线的老化和失效。有研究表明，在相同的电热条件下，开通时间对键合线失效有显著影响。开通时间为1s时，仅键合线老化失效；而开通时间为2s时，键合线和焊料层同时发生老化并失效。

2. 焊料层失效

（1）失效模式

焊料层失效形式包括焊点疲劳、空洞、界面剥离和裂纹等。这些失效会导致芯片与基板之间的热传导和电气连接性能下降。

（2）失效机理

IGBT工作时，芯片结温会不断变化，由于芯片、焊料层和基板的热膨胀系数（CTE）不同，在热循环过程中，焊料层会承受交变热应力。当热应力超过焊料层的疲劳强度时，就会产生疲劳裂纹，并逐渐扩展，最终导致焊点失效。同时，制造过程中的工艺缺陷，如焊料层空洞，会使局部应力集中，加速焊料层的失效。空洞的存在会减少有效散热面积，导致局部温度升高，进一步加剧热应力对焊料层的破坏。

3. 芯片失效

（1）失效模式

芯片失效包括芯片的热击穿、电击穿、栅氧化层击穿等。热击穿是由于芯片内部功耗过大，产生的热量无法及时散发，导致结温过高，超过芯片的耐受温度而失效；电击穿则是在过高的电压或电流作用下，芯片内部的PN结等结构被破坏；栅氧化层击穿通常是由于栅极电压过高，超过氧化层的耐压能力，导致氧化层损坏。

（2）失效机理

从热失效角度看，IGBT的功耗与外部散热装置、内部热阻以及使用工况等有关。当IGBT的实际功耗超过其极限功耗时，结温会迅速上升，进入热不稳定状态，结温与功耗之间形成正反馈，最终导致热击穿失效。在电失效方面，过高的电压或电流会使芯片内部的电场强度或电流密度超过其允许值，从而破坏芯片的内部结构。例如，在可再生能源系统中，由于光照强度、风速等输入因素的随机波动，IGBT模块输出功率的频率和幅值也会变化，这可能导致IGBT模块逐渐老化，增加芯片发生热击穿或电击穿的风险。

4. 压接型IGBT特有失效

（1）失效模式

对于压接型绝缘栅双极型晶体管（PP - IGBT），微动磨损失效是其主要失效模式之一。

（2）失效机理

PP - IGBT在工作过程中，由于温度变化引起各组件的热膨胀和收缩，导致组件之间发生相对微动。这种微动会使接触表面产生磨损，进而增加接触热阻。随着循环次数的增加，接触热阻不断增大，影响器件的散热性能，最终导致器件失效。通过建立数字孪生模型对PP - IGBT的微动磨损失效进行模拟分析，发现接触热阻与循环次数存在特定的映射关系，且多芯片PP - IGBT的微动磨损老化建模与实验结果的结温误差小于2.5°C。此外，压接型IGBT器件在经历长时间的循环热应力后，各组件中的金属材料会逐渐出现疲劳失效，芯片与发射极钼片相接触的边缘区域承受的压力最大也最易变形，在高应力条件下芯片的疲劳寿命只有10000多次循环，这也会导致器件的“压力失效”。

二、IGBT自身缺陷失效

IGBT自身失效是其重要的失效模式，我们有必要进行深入的了解和理解。

1. IGBT自身缺陷失效类型

（1）芯片失效

• 介质材料缺陷：IGBT芯片内部的微米级介质材料缺陷是导致失效的重要原因之一。有行业内文献提到，通过综合技术对IGBT芯片进行失效分析，发现第一种失效芯片的栅氧化层和介质层缺陷表现为有源区的空洞，高温筛选试验后可能导致局部放电；第二种失效芯片在终止区场限环的介质层和多晶硅场板之间存在裂纹，可能导致电场改变，且水分渗透会进一步加剧这种影响。
• 热击穿失效：IGBT的最大功耗与外部散热装置、内部热阻以及使用工况等有关。器件手册给出的最大功耗是理想值，难以反映实际工况，若设计不当，会造成IGBT热击穿失效。例如，刘宾礼等人在《IGBT极限功耗与热失效机理分析》中提到通过对IGBT功耗以及结 - 壳稳态热阻的温度特性分析，得到了结温的热稳定点、非稳定点以及临界点，分析了在非稳定点时IGBT结温和功耗间的正反馈关系，从而揭示了IGBT热失效机理。

（2）键合线失效

高压大功率IGBT模块内部由多芯片和大量键合线构成，器件功能失效很大部分是由铝键合线脱落或者断裂引起的。如黄先进等人在文献《多芯并联封装IGBT缺陷与失效先导判据》中指出，针对英飞凌6.5kV多芯片并联封装IGBT模块，连接寄生参数差异会对芯片工作状态产生影响，而键合线故障会导致电路参数和工作特性变化。

（3）焊点缺陷失效

IGBT功率模块焊点中的空洞、分层等缺陷可能导致模块结温过高，从而降低芯片的能量转换效率或导致失效。张玉龙等人在文献《Ultrasonic Modeling and Experimental Study of Igbt Defect Detection》中提到，由于新能源汽车对IGBT可靠性和寿命要求高，需要对汽车级IGBT模块进行无损检测，他们通过建立温度场模型分析了焊点缺陷不同位置的空洞率对最大结温的影响，并建立了IGBT多层结构的超声波传播数学模型来预测超声波在不同界面的幅值和相位，最后通过超声波扫描显微镜检测IGBT的缺陷并验证了预测模型。

2. IGBT自身缺陷失效原因

（1）电应力影响

过电压、过电流等电应力是导致IGBT失效的常见原因。例如，在太阳能泵变频驱动（VFD）中，由于充电继电器操作与调制启停信号可能的重叠，会导致过电压，进而引发IGBT的点失效。文献《Investigations on IGBT Failures for a Solar Pump Variable Frequency Drive Application》对IGBT因过电压在现场驱动器中失效的可能原因进行了各种假设和探讨，并通过MATLAB / Simulink软件工具进行了模拟，还在硬件中以感应电机为负载在VFD内部操作充电继电器进行了实际验证。

（2）热应力影响

在IGBT的运行过程中，由于功率损耗会产生热量，导致器件内部温度升高。当温度变化频繁或温度过高时，会产生热应力。对于压接型IGBT器件，长时间的循环热应力会使各组件中的金属材料逐渐出现疲劳失效。张经纬等人在文献《压接型IGBT器件单芯片子模组疲劳失效的仿真》中建立了压接型IGBT器件的单芯片子模组有限元仿真模型，利用功率循环仿真模拟器件所经历的循环热应力工况，分析得出芯片与发射极钼片相接触的边缘区域承受压力最大且最易变形，在高应力条件下芯片的疲劳寿命只有10000多次循环。

（3）机械应力影响

在IGBT模块的制造、安装和使用过程中，可能会受到机械应力的作用。例如，在牵引IGBT功率模块的短路开关过程中，由于不同材料的热膨胀系数不同，会在键合线与芯片的接口以及芯片与上部铜金属化层之间的焊点界面层产生较高的应变水平。

3. 应对IGBT自身缺陷失效的策略

（1）优化设计

在IGBT的设计阶段，充分考虑电、热、机械等应力因素，合理设计散热结构、电气连接和封装形式，以降低应力对器件的影响。例如，在设计压接型IGBT器件时，可优化芯片与各组件之间的连接方式，减少因热膨胀差异导致的应力集中。

（2）改进制造工艺

提高制造工艺水平，减少芯片制造过程中的介质材料缺陷，保证键合线和焊点的质量。如在键合线工艺中，精确控制键合参数，确保键合线的牢固性和可靠性；在焊点工艺中，采用先进的焊接技术，减少焊点中的空洞和分层缺陷。

（3）实时监测与诊断

采用电气参数检测、超声波检测等有效的检测方法，对IGBT的运行状态进行实时监测和诊断，及时发现潜在的缺陷和失效隐患，并采取相应的措施进行处理。例如，通过在线监测IGBT的电气参数和温度变化，利用故障诊断算法判断器件是否存在故障，以便在故障发生前进行维护或更换。

（4）冗余设计

在电力电子系统设计中，采用冗余设计策略，当某个IGBT模块出现故障时，备用模块能够及时投入运行，保证系统的正常工作。

IGBT自身缺陷失效问题涉及多个方面，从失效类型、原因到检测方法和应对策略，每个环节都至关重要。通过深入研究和理解这些内容，并采取相应的措施，可以有效提高IGBT的可靠性和稳定性，保障电力电子装置的安全运行。在未来的研究中，随着技术的不断发展，相信会有更先进的检测方法和应对策略出现，进一步提升IGBT的性能和可靠性。

三、IGBT疲劳故障失效

IGBT模块在实际使用中常因承受各种复杂的应力而发生疲劳故障失效，这对系统的可靠性和稳定性构成严重威胁。

1. IGBT常见疲劳故障失效模式

（1）键合线失效

在可再生能源系统中，由于光强、风速、波高等输入因素的随机性和波动性，导致输出功率的频率和幅值不断变化，使得IGBT模块经历逐渐老化过程，键合线可能出现断裂或脱落。此外，多芯片并联封装的IGBT模块内部由大量键合线构成，铝键合线的脱落或者断裂是导致器件功能失效的重要原因之一。键合线失效初期，其裂纹对电阻影响较小，但随着裂纹扩展到一定程度，等效电阻会迅速增大，最终导致模块失效。

（2）焊料层失效

这是IGBT主要失效模式之一，主要由温度分布不均匀和材料参数不匹配引起的热应力导致。在实际使用过程中，IGBT模块会受到各种故障影响，电流急剧上升使模块温度升高，焊料层产生损伤，最终疲劳失效。热和机械等多重应力作用下，焊料层热应力最大值出现在焊料层边角以及空洞边缘处，相同面积下拐角空洞更容易导致IGBT模块失效，且芯片结温会随着中心空洞半径增加而升高，当空洞率达到一定程度时，将严重威胁器件和模块安全。

2. 疲劳故障失效的影响因素

（1）热应力

温度循环变化是导致IGBT模块产生热应力的主要原因。例如在功率循环过程中，IGBT芯片会经历周期性的发热与散热，由于芯片、焊料层、基板等材料的热膨胀系数不同，在温度变化时各部分的膨胀和收缩程度不一致，从而在界面处产生热应力。长期反复的热应力作用会使焊料层产生疲劳裂纹并逐渐扩展，最终导致焊料层失效。

（2）机械应力

在电动汽车等应用场景中，IGBT模块可能会受到频繁的振动冲击。机械应力与热应力相互耦合，加速了焊料层裂纹的产生和扩展。例如，振动可能使原本在热应力作用下已经产生微小裂纹的焊料层进一步开裂，改变裂纹的扩展方向和速度。

（3）电气应力

瞬态过电压、过电流等电气应力也会对IGBT的可靠性产生影响。当出现瞬态过电压时，可能会导致IGBT的栅极 - 发射极间电压超过额定值，造成栅氧层击穿；而过电流则会使芯片结温迅速升高，加剧热应力对器件的损伤，加速疲劳失效进程。

3. 疲劳故障失效的预防措施

（1）优化封装设计

在封装材料选择上，尽量选用热膨胀系数匹配的材料，以减小热应力。例如，采用新型的焊料材料或优化基板材料，降低不同材料间因热膨胀系数差异带来的热应力。同时，优化键合线的布局和工艺，提高键合线的可靠性，减少键合线失效的风险。

（2）散热设计优化

合理设计散热系统，确保IGBT模块在运行过程中能够有效散热，降低结温。例如采用高效的散热器、优化冷却介质的流动路径等方式，使IGBT模块的温度分布更加均匀，减少因温度过高或温度分布不均导致的热应力。

（3）工况监测与控制

实时监测IGBT模块的工作电压、电流、温度等参数，通过状态监测技术及时发现潜在的故障隐患。一旦监测到参数异常，及时采取控制措施，如调整负载、降低功率等，避免IGBT模块在恶劣工况下长时间运行，从而延长其使用寿命。

四、总结

因此，降低IGBT器件失效风险对保障电力电子系统安全稳定运行至关重要。特别是在新能源汽车领域，有效预防键合线断裂、芯片击穿等故障，能够避免设备停机甚至引发严重交通事故。通过优化结构设计、改进生产工艺并实施实时监测，能够有效降低热应力、电应力和机械应力引发的疲劳损伤，从而延长器件使用寿命，提高能源转换效率，并减少维护成本。这些技术措施对于满足新能源汽车、可再生能源等战略性产业对电力电子系统的高可靠性要求具有重要支撑作用。