从安全工作区探讨IGBT的失效机理
从安全工作区探讨igbt的失效机理
1、 引言
半导体功率器件失效的原因多种多样。换效后进行换效分析也是十分困难和复杂的。其中失效的主要原因之一是超出安全工作区（safe operating area简称soa）使用引起的。因此全面了解soa，并在使用中将igbt的最大直流电流ic和集电极—发射极电压vce控制在soa之内是十分重要的。soa分为正偏安全工作区（fbsoa）、反偏安全工作区（rbsoa）、开关安全工作区（ssoa）和短路安全工作区（scsoa）。
2、 各安全工作区的物理概念
igbt的soa表明其承受高压大电流的能力，是可靠性的重要标志。
2.1正偏安全工作区（fbsoa）
fbso是处于vge>阈值电压vth的输出特性曲线的有源区之内，如图1所示。图1中abcdo所包围的区域为直流安全工作区。ab段为tc=80℃限制的最大直流电流ic。b点对应的ic和vce的乘积等于最大耗散功率pcm。bc段为等功耗线。cd段为二次击穿限制的安全工作区的边界，此段不是等功耗。随着vce的增加功耗下降，vce越高功耗越低。这说明高电压强电场状态更容易出现失效。
由图1可见，随着脉冲宽度减小soa扩大。这里要说明的是手册给的fbsoa，除dcsoa之外。一定脉冲宽度下的脉冲soa，均是单脉冲安全工作区。而且fbsoa只考虑导通损耗，不包括开关损耗。所以fbsoa只适用功率放大器的a类、b类及短路工作没有开关损耗的工作状态。对于一定脉宽和占空比的连续工作，其安全工作区应使用瞬态热阻曲线的计算来确定。
2.2反偏安全工作区（rbsoa）
rbsoa是表明在箝位电感负载时，在额定电压下关断最大箝位电感电流ilm的能力。ilm一般是最大dc额定电流的两倍，而额定电压接近反向击穿电压。pt型igbt和npt型igbt的反偏安全工作区略有不同。pt型igbt的rbsoa是梯形soa，npt型igbt的rbso是矩形soa。如图2所示。可见npt型igbt。在额定电压下关断箝位电感电流的能力强于pt型igbt。因此，pt型igbt不适用于电感负载电路和马达驱动等电路，而且短路持续时间tsc较短，一般不给出短路安全工作区。所以，npt型igbt的可靠性高于pt型igbt。
2.3开关安全工作区（ssoa）
开关字全工作区如图3所示。由图2和图3可见，ssoa和rbsoa相似，都是矩形的。所不同的是rbsoa只考虑关断时承受高电压大电感电流的能力。ssoa不仅考虑关断状态，同时也考虑开启瞬间。所以ssoa兼顾fbsoa和rbsoa两种状态的考虑。另外，纵坐标的电流，rbsoa是iim ；而ssoa是最大脉冲电流icm。一个是最大箝位电感电流，一个是最大脉冲电流。而且两者在手册中给出的数值又是相等的。现在有的公司只给出ssoa，不再给出fbsoa和rbsoa。在igbt开启时，往往是vce没有降下来，ic就达到负载电流il。在有续流作用时还要达到ic +ir r m。ir r m为续流二极管的最大反向恢复电流，因此导通过程也存在高压大电流状态。
2.4短路安全工作区（scsoa）
scsoa是igbt c—e间处于高压(额定反向电压)下，g—e间突然加上过高的栅压vg，过高vg和高垮导的作用出现短路状态，其短路电流isc可高达10倍的额定电流ic。这和ssoa的开通状态比较相似，但isc>icm。在整个短路时间tsc中，igbt始终处于导通状态。在此状态下igbt的耗能在四种安全工作区最大，出现失效的几率也最高。scsoa如图4所示。
3、 超soa的失效机理
安全工作区，顾各思义工作在soa内是安全的，超出将是不安全的，或引起失效。由于四种安全工作区的偏置状态不同，超出soa的失效机理也是不同的。fbsoa、scsoa和ssoa的开启状态均为正偏，而rbsoa为反偏。众所周知，igbt失效的主要原因是寄生scr的锁定（latch-up）和超结温tj工作出现的烧毁。
（1）rbsoa的失效：在额定电压下关断箝位电感电流ilm时，由于关断来自igbt发射极的沟道电子电流，寄生pnp管发射极注入到高阻漂移区（pnp管的是基区）的少子空穴一部经过pnp管的基区从igbt的发射极流出。当该空穴电流ih在npn管的基区电阻r b上压降ih·r≥0.7v时，npn管导通，其共基极放大系数αnpn迅速增大。同时由于pnp管的集电极处于高压，集电结耗尽层宽度（xm）很宽，使pnp管的有效基区wb变窄，α pnp也增大。当α npn+α pnp1时出现动态锁定而烧毁。因此直角安全区是igbt可靠性的重要标志。由图2可见npt型igbt具有直角soa，而pt型igbt是梯形安全工作区。这说明pt型igbt在额定电压下关断的箝位电感电流ilm比npt型igbt要小。其抗高压大电流冲击能力和短路能力都不如npt型igbt。
对于ssoa的关断失效机理和rbsoa的失效是相同的。
对于fbsoa、scsoa和ssoa的开启状态，三者都工作在有源区的高压大电流状态，因为处于正偏而瞬间电流为dc额定电流的2-10倍。igbt中寄生的npn管和pnp管的α npn和α pnp均随工作电流的增加而增大。当α npn+αpnp1时出现静态锁定烧毁。
（2）scsoa的失效：由于短路电流isc可能高达10倍于直流额定电流，在短路时间tsc内产生的焦耳热过量，来不及消散而产生热烧毁。
例如：100a 1200v的npn型igbt，当tsc=10μs时产生的能量：
esc=vce·ic·tsc=12焦耳。
该能量产生在p阱pn结耗尽层x m中，耗尽层中的电场ε=1200v/xm。这时，xm （1200v）约为200μm，所以ε=6×104v/cm。定义εm≥3×104v/cm为强电场，现在，ε>εm电子在强电场下的漂移速度达到饱和。饱和的原因是强电场下光学波声子散射，通过光学波声子散射将外电场的能量传递给遭散射的晶格。量子物理提出一个基本事实：“尽管在固体里面电子是在密集的原子之间高速运动，只要这些原子按严格的周期性排列，电子的高速运动并不遭受散射”。si单晶片和外延片中的缺陷就是晶格周期排列的破坏。缺陷密度大的部位散射截面就大，这时，从外电场接受的能量就多，该部位晶格振动就剧烈，使晶格温度t1升高。当t1大于硅的熔点(1415℃)时，出现si熔洞而烧毁。这就是为什么烧毁的器件解剖后均发现si熔洞的原因。这里我们从超出scsoa的应用为例对烧毁机理做了上述分析。对于超出scsoa的应用为例对烧毁机理做了上述分析。对于超出fbsoa、ssoa和rbsoa一样，只要偏置电压和偏置电压对应的耗尽层宽度xm之比大于3×104v/cm，均可能产生上述烧毁。
解剖发现si熔洞的面积a si约100μm2~1mm2。晶格温度为：
t1=ic·vce·tsc/dsi ·csii·asi·x m （1）
式中dsi和csi分别为si比重和热比。csi=0.7焦耳/克℃，dsi=2.328克/cm3。我们假设在10μs的短路时间内产生能量的10%让强散射区吸收，并取asi=1mm2，将相关数据代入（1）式得：t1=3600℃。该温度已大大超过si的熔点1415℃，难怪烧毁后的si片出现熔洞。
4、 短路持续时间tsc和栅压vg、集电极—发射极导通电压vce(on)越大tsc的关系
图5表示tsc ~vce (on)的关系曲线，可见集电极—发射极导通电压vce（on）越大tsc越长。图6表示vg和isc、tssc的关系，由图6可见随着vg的增加tsc下降而isc上升。
从目前igbt生产中所用si材料来讲，有外延材料和高阻单晶材料两种。用外延材料生产的igbt在高压击穿时耗尽层穿通高阻移区而称为pt—igbt。用高阻单晶片生产的igbt，由于高阻漂移区较厚，高压击穿时不被穿通而称为npt—igbt。从沟道来分有平面栅和沟槽两类。pt-igbt又分为pt、spt（软穿通）和fs（场中止）igbt。pt、spt和fs-igbt都有缓冲层，fs实际也是缓冲层，其结内电场为梯形分布。pt、spt和fsigbt可以做成平面栅，也可以做成沟槽栅。沟槽栅具有更低的导通压降vce(on)。外延pt—igbt的最高击穿电压为1200v。1700v以上的igbt多用于高阻单晶材料，其结构为npt结构。npt—igbt可做成平面栅，也可做成沟槽栅。加缓冲层的npt结构又称fs—igbt。
从短路能力来讲，外延片产生的pt、spt或fs—igbt，手册中均没给出scsoa。不能满足isc/ic=103vg≥15v，在额定电压下tsc达不到10μs。此结构的igbt的vce(on)为负温度系数，不适于并联使用，适于开关电源电路。不适于有短路要求的马达驱动电路和电压型逆变电路。用高阻单晶si生产的npn—igbt和沟槽栅场终止igbt都给出了短路额定值scsoa。在tsc≤10μs，npt—igbt在额定电压下isc/ic=10，沟槽栅场终止igbt tsc≤10μs时，isc/ic=4。tsc除了和结构有关外，尚和igbt自身的垮导gm以及使用的vg有关。在vg一定的情况下，gm越大isc越高而tsc越短。在不影响导通损耗的情况下，适当降低vg使其不要进入深饱和区，可降低isc和增加tsc。tsc越长过流保护电路的设计越容易满足。
5、 几个问题的讨论
5.1 如何评价igbt的短路能力
短路安全工作区实际是脉冲宽度为tsc的单脉冲工作状态。单脉冲下的耗散功率为
psc= t j –t c/z th (t sc) （2）
式中t j和t c分别为结温和壳温，z th (t sc)为脉宽下tsc的单脉冲瞬态热阻。短路时：
psc = vce·isc 代入（2）式得
isc = t j –t c/z th (t sc)·vce （3）
或 z th (t sc) = t j –t c/vce ·isc （4）
图7是100a/1200v npt—igbt的瞬态热阻曲线。
当已知tsc时，可求出脉宽为tsc时的z thjc。这时，t j应为150℃，t c=80℃，代入（3）式可求短路时间下的。由（4）式可求出vce和ise下的z th (t sc)。由可用图7查找脉动冲宽度tsc。
例如：tsc=10μ，vce=1200v，t j =150℃和t c =80℃时求可承受的短路ise。由图7可查得tsc=10μs时z th (t sc)=2.3×10-4℃/w，代入（3）得：ise=253.6a。若ise=1000a，vce=1200v代入式求出z th (t sc)=5.83×10-5℃/w，由图7可知tscx m。尚存在一定厚度的高阻区所致。我们可以认为igbt的导通电阻rce(on)= vce(on)/ic。在一定的ic下vce(on)越高rce(on)越大。该电阻实际上是寄生pnp的管基区的纵向电阻，它对由pnp管发射区p+注入来的空穴电流起到均流作用，这样流过强电场区的空穴电流较均匀，使得整个空间电荷区内功率密度均匀，减缓热点的产生，从而延长了短路时间tsc。另外，当出现过载或短路时剧增。在rce(on)上的压降增加。这时耗尽层x m中的电压为vce(on)—ic ·rce(on)。所以rce(on)（vce(on)）越大，x m中的电场子越弱t1也就越低，tsc就越长。
5.3为什么pt—igbt不能用于马达驱动电路
pt—igbt手册中均没有给出scsoa。也不希望用在有短路出现的电路。正如前述pt—igbt是用高阻厚外延si片产生的。高阻厚外延是重掺杂p+单晶片上，通过外延技术生长n+和n-外延层。重掺杂p+单晶片本身缺陷就较多，而外延生长过程中又要引进大量的层错、位错外延缺陷。所以pt—igbt在高压（强电场）大电流下工作，强散射区较多，容易产生发热点，在较低能量状态下则出现烧毁。这就是说短路时间tsc和igbt生产材料、工艺及结构有重大关系。
6 结语
半导体器件失效机理是一个比较复杂的问题，现在正处于认识的不断深化阶段，本文提出强电场机理，仅供分析中参考。
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1、 引言
半导体功率器件失效的原因多种多样。换效后进行换效分析也是十分困难和复杂的。其中失效的主要原因之一是超出安全工作区（safe operating area简称soa）使用引起的。因此全面了解soa，并在使用中将igbt的最大直流电流ic和集电极—发射极电压vce控制在soa之内是十分重要的。soa分为正偏安全工作区（fbsoa）、反偏安全工作区（rbsoa）、开关安全工作区（ssoa）和短路安全工作区（scsoa）。
2、 各安全工作区的物理概念
igbt的soa表明其承受高压大电流的能力，是可靠性的重要标志。
2.1正偏安全工作区（fbsoa）
fbso是处于vge>阈值电压vth的输出特性曲线的有源区之内，如图1所示。图1中abcdo所包围的区域为直流安全工作区。ab段为tc=80℃限制的最大直流电流ic。b点对应的ic和vce的乘积等于最大耗散功率pcm。bc段为等功耗线。cd段为二次击穿限制的安全工作区的边界，此段不是等功耗。随着vce的增加功耗下降，vce越高功耗越低。这说明高电压强电场状态更容易出现失效。
由图1可见，随着脉冲宽度减小soa扩大。这里要说明的是手册给的fbsoa，除dcsoa之外。一定脉冲宽度下的脉冲soa，均是单脉冲安全工作区。而且fbsoa只考虑导通损耗，不包括开关损耗。所以fbsoa只适用功率放大器的a类、b类及短路工作没有开关损耗的工作状态。对于一定脉宽和占空比的连续工作，其安全工作区应使用瞬态热阻曲线的计算来确定。
2.2反偏安全工作区（rbsoa）
rbsoa是表明在箝位电感负载时，在额定电压下关断最大箝位电感电流ilm的能力。ilm一般是最大dc额定电流的两倍，而额定电压接近反向击穿电压。pt型igbt和npt型igbt的反偏安全工作区略有不同。pt型igbt的rbsoa是梯形soa，npt型igbt的rbso是矩形soa。如图2所示。可见npt型igbt。在额定电压下关断箝位电感电流的能力强于pt型igbt。因此，pt型igbt不适用于电感负载电路和马达驱动等电路，而且短路持续时间tsc较短，一般不给出短路安全工作区。所以，npt型igbt的可靠性高于pt型igbt。
2.3开关安全工作区（ssoa）
开关字全工作区如图3所示。由图2和图3可见，ssoa和rbsoa相似，都是矩形的。所不同的是rbsoa只考虑关断时承受高电压大电感电流的能力。ssoa不仅考虑关断状态，同时也考虑开启瞬间。所以ssoa兼顾fbsoa和rbsoa两种状态的考虑。另外，纵坐标的电流，rbsoa是iim ；而ssoa是最大脉冲电流icm。一个是最大箝位电感电流，一个是最大脉冲电流。而且两者在手册中给出的数值又是相等的。现在有的公司只给出ssoa，不再给出fbsoa和rbsoa。在igbt开启时，往往是vce没有降下来，ic就达到负载电流il。在有续流作用时还要达到ic +ir r m。ir r m为续流二极管的最大反向恢复电流，因此导通过程也存在高压大电流状态。
2.4短路安全工作区（scsoa）
scsoa是igbt c—e间处于高压(额定反向电压)下，g—e间突然加上过高的栅压vg，过高vg和高垮导的作用出现短路状态，其短路电流isc可高达10倍的额定电流ic。这和ssoa的开通状态比较相似，但isc>icm。在整个短路时间tsc中，igbt始终处于导通状态。在此状态下igbt的耗能在四种安全工作区最大，出现失效的几率也最高。scsoa如图4所示。
3、 超soa的失效机理
安全工作区，顾各思义工作在soa内是安全的，超出将是不安全的，或引起失效。由于四种安全工作区的偏置状态不同，超出soa的失效机理也是不同的。fbsoa、scsoa和ssoa的开启状态均为正偏，而rbsoa为反偏。众所周知，igbt失效的主要原因是寄生scr的锁定（latch-up）和超结温tj工作出现的烧毁。
（1）rbsoa的失效：在额定电压下关断箝位电感电流ilm时，由于关断来自igbt发射极的沟道电子电流，寄生pnp管发射极注入到高阻漂移区（pnp管的是基区）的少子空穴一部经过pnp管的基区从igbt的发射极流出。当该空穴电流ih在npn管的基区电阻r b上压降ih·r≥0.7v时，npn管导通，其共基极放大系数αnpn迅速增大。同时由于pnp管的集电极处于高压，集电结耗尽层宽度（xm）很宽，使pnp管的有效基区wb变窄，α pnp也增大。当α npn+α pnp1时出现动态锁定而烧毁。因此直角安全区是igbt可靠性的重要标志。由图2可见npt型igbt具有直角soa，而pt型igbt是梯形安全工作区。这说明pt型igbt在额定电压下关断的箝位电感电流ilm比npt型igbt要小。其抗高压大电流冲击能力和短路能力都不如npt型igbt。
对于ssoa的关断失效机理和rbsoa的失效是相同的。
对于fbsoa、scsoa和ssoa的开启状态，三者都工作在有源区的高压大电流状态，因为处于正偏而瞬间电流为dc额定电流的2-10倍。igbt中寄生的npn管和pnp管的α npn和α pnp均随工作电流的增加而增大。当α npn+αpnp1时出现静态锁定烧毁。
（2）scsoa的失效：由于短路电流isc可能高达10倍于直流额定电流，在短路时间tsc内产生的焦耳热过量，来不及消散而产生热烧毁。
例如：100a 1200v的npn型igbt，当tsc=10μs时产生的能量：
esc=vce·ic·tsc=12焦耳。
该能量产生在p阱pn结耗尽层x m中，耗尽层中的电场ε=1200v/xm。这时，xm （1200v）约为200μm，所以ε=6×104v/cm。定义εm≥3×104v/cm为强电场，现在，ε>εm电子在强电场下的漂移速度达到饱和。饱和的原因是强电场下光学波声子散射，通过光学波声子散射将外电场的能量传递给遭散射的晶格。量子物理提出一个基本事实：“尽管在固体里面电子是在密集的原子之间高速运动，只要这些原子按严格的周期性排列，电子的高速运动并不遭受散射”。si单晶片和外延片中的缺陷就是晶格周期排列的破坏。缺陷密度大的部位散射截面就大，这时，从外电场接受的能量就多，该部位晶格振动就剧烈，使晶格温度t1升高。当t1大于硅的熔点(1415℃)时，出现si熔洞而烧毁。这就是为什么烧毁的器件解剖后均发现si熔洞的原因。这里我们从超出scsoa的应用为例对烧毁机理做了上述分析。对于超出scsoa的应用为例对烧毁机理做了上述分析。对于超出fbsoa、ssoa和rbsoa一样，只要偏置电压和偏置电压对应的耗尽层宽度xm之比大于3×104v/cm，均可能产生上述烧毁。
解剖发现si熔洞的面积a si约100μm2~1mm2。晶格温度为：
t1=ic·vce·tsc/dsi ·csii·asi·x m （1）
式中dsi和csi分别为si比重和热比。csi=0.7焦耳/克℃，dsi=2.328克/cm3。我们假设在10μs的短路时间内产生能量的10%让强散射区吸收，并取asi=1mm2，将相关数据代入（1）式得：t1=3600℃。该温度已大大超过si的熔点1415℃，难怪烧毁后的si片出现熔洞。
4、 短路持续时间tsc和栅压vg、集电极—发射极导通电压vce(on)越大tsc的关系
图5表示tsc ~vce (on)的关系曲线，可见集电极—发射极导通电压vce（on）越大tsc越长。图6表示vg和isc、tssc的关系，由图6可见随着vg的增加tsc下降而isc上升。
从目前igbt生产中所用si材料来讲，有外延材料和高阻单晶材料两种。用外延材料生产的igbt在高压击穿时耗尽层穿通高阻移区而称为pt—igbt。用高阻单晶片生产的igbt，由于高阻漂移区较厚，高压击穿时不被穿通而称为npt—igbt。从沟道来分有平面栅和沟槽两类。pt-igbt又分为pt、spt（软穿通）和fs（场中止）igbt。pt、spt和fs-igbt都有缓冲层，fs实际也是缓冲层，其结内电场为梯形分布。pt、spt和fsigbt可以做成平面栅，也可以做成沟槽栅。沟槽栅具有更低的导通压降vce(on)。外延pt—igbt的最高击穿电压为1200v。1700v以上的igbt多用于高阻单晶材料，其结构为npt结构。npt—igbt可做成平面栅，也可做成沟槽栅。加缓冲层的npt结构又称fs—igbt。
从短路能力来讲，外延片产生的pt、spt或fs—igbt，手册中均没给出scsoa。不能满足isc/ic=103vg≥15v，在额定电压下tsc达不到10μs。此结构的igbt的vce(on)为负温度系数，不适于并联使用，适于开关电源电路。不适于有短路要求的马达驱动电路和电压型逆变电路。用高阻单晶si生产的npn—igbt和沟槽栅场终止igbt都给出了短路额定值scsoa。在tsc≤10μs，npt—igbt在额定电压下isc/ic=10，沟槽栅场终止igbt tsc≤10μs时，isc/ic=4。tsc除了和结构有关外，尚和igbt自身的垮导gm以及使用的vg有关。在vg一定的情况下，gm越大isc越高而tsc越短。在不影响导通损耗的情况下，适当降低vg使其不要进入深饱和区，可降低isc和增加tsc。tsc越长过流保护电路的设计越容易满足。
5、 几个问题的讨论
5.1 如何评价igbt的短路能力
短路安全工作区实际是脉冲宽度为tsc的单脉冲工作状态。单脉冲下的耗散功率为
psc= t j –t c/z th (t sc) （2）
式中t j和t c分别为结温和壳温，z th (t sc)为脉宽下tsc的单脉冲瞬态热阻。短路时：
psc = vce·isc 代入（2）式得
isc = t j –t c/z th (t sc)·vce （3）
或 z th (t sc) = t j –t c/vce ·isc （4）
图7是100a/1200v npt—igbt的瞬态热阻曲线。
当已知tsc时，可求出脉宽为tsc时的z thjc。这时，t j应为150℃，t c=80℃，代入（3）式可求短路时间下的。由（4）式可求出vce和ise下的z th (t sc)。由可用图7查找脉动冲宽度tsc。
例如：tsc=10μ，vce=1200v，t j =150℃和t c =80℃时求可承受的短路ise。由图7可查得tsc=10μs时z th (t sc)=2.3×10-4℃/w，代入（3）得：ise=253.6a。若ise=1000a，vce=1200v代入式求出z th (t sc)=5.83×10-5℃/w，由图7可知tscx m。尚存在一定厚度的高阻区所致。我们可以认为igbt的导通电阻rce(on)= vce(on)/ic。在一定的ic下vce(on)越高rce(on)越大。该电阻实际上是寄生pnp的管基区的纵向电阻，它对由pnp管发射区p+注入来的空穴电流起到均流作用，这样流过强电场区的空穴电流较均匀，使得整个空间电荷区内功率密度均匀，减缓热点的产生，从而延长了短路时间tsc。另外，当出现过载或短路时剧增。在rce(on)上的压降增加。这时耗尽层x m中的电压为vce(on)—ic ·rce(on)。所以rce(on)（vce(on)）越大，x m中的电场子越弱t1也就越低，tsc就越长。
5.3为什么pt—igbt不能用于马达驱动电路
pt—igbt手册中均没有给出scsoa。也不希望用在有短路出现的电路。正如前述pt—igbt是用高阻厚外延si片产生的。高阻厚外延是重掺杂p+单晶片上，通过外延技术生长n+和n-外延层。重掺杂p+单晶片本身缺陷就较多，而外延生长过程中又要引进大量的层错、位错外延缺陷。所以pt—igbt在高压（强电场）大电流下工作，强散射区较多，容易产生发热点，在较低能量状态下则出现烧毁。这就是说短路时间tsc和igbt生产材料、工艺及结构有重大关系。
6 结语
半导体器件失效机理是一个比较复杂的问题，现在正处于认识的不断深化阶段，本文提出强电场机理，仅供分析中参考。
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