IGBT短路失效分析

以下文章来源于IGBT学徒，作者小方同学123

短路失效网上已经有很多很详细的解释和分类了，但就具体工作中而言，我经常遇到的失效情况主要还是发生在脉冲阶段和关断阶段以及关断完毕之后的，失效的模式主要为热失效和动态雪崩失效以及电场尖峰过高失效(电流分布不均匀)。理论上还有其他的一些失效情况，但我工作中基本不怎么遇到了。

一、关断延迟失效

关断完毕之后延迟失效往往是由于器件短路过程中积累了大量热，在设置的短路时间内来不及向四周传递，但在关断之后几us后热传递到芯片四周，特别是芯片背面某区域，导致该区域的发射效率提高，空穴浓度上升，碰撞离化加剧，最后电流又抬起来了，导致器件失效。所以一般在测试短路能量极限时，不断加短路时间，比如8us时没有失效，9us时失效了，但是9us的短路波形是正常的，这时的短路能量仍然能读取出来，但这个能量不能作为该颗芯片的短路能量极限，而应该取失效前也就是8us时的能量为极限，这就是热量的传递需要时间，9us不足以把热量完全传递到芯片的每一处背面区域，所以说延迟失效一般与芯片的厚度，面积有关，厚度越厚，面积越大，延迟失效越容易发生。

在对高压器件进行短路能量极限测试时，比如额定1700V的芯片，失效情况就基本都是延迟失效了。

二、关断失效

短路关断失效一般都是发生动态雪崩了，器件在短路关断时，会产生很大的didtoff，叠加在系统杂感上，产生一个Vce电压过冲尖峰，若该尖峰过大则会导致器件失效，不过一般在测试器件的短路极限能力时，比如电流极限和能力极限，只需要把驱动Rgoff用很大即可，但在测试器件的短路SOA时，驱动电阻与双脉冲测试的驱动电阻一致时，就需要考虑到这个电压尖峰的影响，关断失效这个很好理解，就不过多讲述了。

三、短路脉冲失效

之前讲短路机理的那篇文章有讲过当IGBT背面增益比较低时，短路脉冲阶段的电场是背面电场比正面电场高的，所以这里就会导致一种失效叫短路脉冲失效，这里背面电场抬高后会引起背面电流分布不均匀，产生电流丝，形成局部过热区，最终导致失效。

一方面来说，短路电流越大越容易导致短路脉冲失效，另一方面背面增益越低也越容易导致短路脉冲失效。具体的一些理论分析请参见上一篇短路过程讲解的文章。IGBT内容分享（8）：IGBT短路过程详解

这里通过TCAD仿真来做一些论证。本次仿真借用sentaurus例子库里的器件结构来做展示，对背面增益以及短路电流大小进行拉偏，进行短路仿真。

图一、背面增益拉偏，短路仿真时电场分布

从图一可以看到，在短路仿真时，对背面集电极注入剂量进行了3e13、3e14、3e15的拉偏，其中3e13剂量时背面电场最高。同时我们知道在双脉冲仿真和静态BV仿真时，都是槽底部电场最高，也就是正面电场比背面电场高，如图二、图三。

图二、静态BV仿真时电场分布

图三、双脉冲仿真时电场分布

所以通过图一、图二、图三的电场分布对比，可以验证之前提到的，短路脉冲阶段是背面电场比正面电场高，且背面增益越低，背面电场会更高，也更容易发生短路脉冲失效。

接下来对短路仿真时，短路电流进行拉偏，如图四所示

图四、短路仿真时电流拉偏

从图四可以看到，IGBT短路电流大时，更容易发生短路脉冲失效，这是由于大电流导通时，IGBT内部充斥着大量的载流子，当背面增益不够大时，漂移区内部的电场梯度dE/dt会随着电流不断变大而减小，也就是背面的电子越来越多，最后导致电场在背面进行了反转，背面电场比正面高，而实际工艺中IGBT内部重复的单元结构会存在一些微弱的差异，背面的高电场强度不会是处处相等的，所以在脉冲初始阶段会存在微小的电流不均匀分布现象，这时器件的短路电流会流向电场不均匀区域，这样又加剧了电流不均，形成正反馈，最终形成局部过热区，导致在脉冲阶段就发生了器件失效。

所以说除了降低器件短路电流外，增大背面增益也是一种提高短路能力的方式，好了，今天的分享就到这里了，希望对各位有用。