夏 超，楊 猛，陳 滔，張明華

(中國空間技術(shù)研究院 北京衛(wèi)星制造廠，北京 100089)

隨著大功率控制器件不斷發(fā)展及電壓電流等級(jí)的逐步提高，其應(yīng)用的領(lǐng)域也日趨廣泛[1]。無論是傳統(tǒng)的高鐵牽引傳動(dòng)行業(yè)[2]，還是迅猛發(fā)展的新能源汽車行業(yè)[3]，以及近年來發(fā)展快速的光伏發(fā)電[4]及高壓柔性直流輸電[5]，都對(duì)IGBT芯片及其封裝設(shè)計(jì)提出了更高的要求。IGBT發(fā)生失效的原因一般分為4類[6]：1)柵極過電壓擊穿柵氧層；2)集射極過電壓及其電流變化率過大，導(dǎo)致芯片發(fā)生過電壓擊穿；3)集電極過電流及電壓變化率過大，導(dǎo)致芯片發(fā)生過電流燒毀；4)功率周次循環(huán)次數(shù)過多所導(dǎo)致的封裝老化，進(jìn)而引起芯片側(cè)過溫等。從保護(hù)的角度來看，由于負(fù)載短路所造成的過電流保護(hù)尤為重要。

1 短路失效機(jī)理分析

在功率模塊的實(shí)際運(yùn)行過程中，可以將短路大電流故障歸結(jié)于如下4類原因：1)負(fù)載在功率模塊處于開啟時(shí)發(fā)生短路故障；2)負(fù)載在功率模塊處于開啟前就已發(fā)生短路故障；3)功率模塊在開啟時(shí)通過大電流，關(guān)斷后幾十微秒出現(xiàn)短路故障；4)功率模塊在開啟時(shí)由于線路寄生參數(shù)的影響，出現(xiàn)短路故障。

針對(duì)功率模塊這4類故障情況，主要是發(fā)生在功率模塊的IGBT芯片側(cè)，下述將從IGBT芯片結(jié)構(gòu)(見圖1)的角度來分析短路大電流情況下的影響及其短路時(shí)間閾值的確定方案。

1)穿通型構(gòu)造(Punch Through Structure, PTS)作為第一代IGBT的典型構(gòu)造，元胞在處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，外部施加的電壓所形成的電場會(huì)充滿整個(gè)N-外延層，所以被稱作穿通型。該結(jié)構(gòu)在批量化制造過程中的工藝難度大，制造成本高，電流輸出特性不利于芯片間并聯(lián)，隨著技術(shù)的發(fā)展而逐步被非穿通型結(jié)構(gòu)所取代。

2)非穿通型構(gòu)造(Non Punch Through Structure, NPTS)與穿通型構(gòu)造(PTS)的不同點(diǎn)在于，當(dāng)器件處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，元胞的N-漂移區(qū)尚未被電場充滿，因而被研究者們稱為非穿通型結(jié)構(gòu)。NPTS雖然不需要額外對(duì)內(nèi)部載流子的壽命進(jìn)行控制，但其因結(jié)構(gòu)特點(diǎn)難以應(yīng)用于高電壓領(lǐng)域。

3)從第三代IGBT的設(shè)計(jì)開始，元胞的整體結(jié)構(gòu)就由平面型柵極轉(zhuǎn)變?yōu)闇喜坌蜄艠O。在溝槽型柵極的IGBT結(jié)構(gòu)中，P型溝道垂直于晶圓的表面。相較于平面型柵極結(jié)構(gòu)，溝槽型柵極結(jié)構(gòu)的IGBT省去了JFET結(jié)構(gòu)，使表面溝道密度和近表面載流子濃度有所增加，IGBT的電氣性能得到了進(jìn)一步的優(yōu)化。

a) 第一代穿通型 b) 第二代非穿通型 c) 第三代溝槽+場截止 d) 第四代溝槽+場截止

e) 第五代溝槽+場截止 f) 第五代場截止 g) 第六代場截止 h) 第七代場截止

4)IGBT第四代的優(yōu)化是從縱向結(jié)構(gòu)方面入手，為了解決第三代IGBT當(dāng)阻斷電壓的設(shè)計(jì)等級(jí)高時(shí)，飽和壓降及導(dǎo)通損耗會(huì)增大至影響器件的正常使用，研究者們?cè)O(shè)計(jì)研發(fā)出了具有場截止結(jié)構(gòu)的IGBT，旨在盡可能減少芯片的漂移區(qū)厚度，從而實(shí)現(xiàn)飽和電壓和導(dǎo)通損耗的優(yōu)化。

5)IGBT的第五代和第六代在某種程度上是在第四代IGBT的基礎(chǔ)上進(jìn)行的細(xì)微修改優(yōu)化的型號(hào)，比如在摻雜濃度及芯片厚度方面有一定程度的優(yōu)化，使新結(jié)構(gòu)能夠以更低的導(dǎo)通損耗承載更大的電流。

針對(duì)當(dāng)前市場上大電流應(yīng)用，功率半導(dǎo)體設(shè)計(jì)與生產(chǎn)廠家主要是以平面型IGBT和溝槽柵型IGBT為主，且對(duì)器件在工作過程中的動(dòng)靜態(tài)性能及失效模式尤為關(guān)注。國內(nèi)外的高校的關(guān)注點(diǎn)多在芯片的短路失效情形及其相應(yīng)的物理機(jī)理的研究與測(cè)試，但對(duì)于怎樣量化與評(píng)估各類短路大電流失效情況下的短路閾值較少。針對(duì)本征熱擊穿失效，器件制造廠商雖然給定了一個(gè)指定電壓工況下的短路保護(hù)閾值時(shí)間，但該指標(biāo)不具備廣泛性。當(dāng)運(yùn)行工況與其指定的工況有所差異時(shí)，其短路保護(hù)閾值時(shí)間需要根據(jù)芯片自身的指標(biāo)來加以優(yōu)化調(diào)整。

下述主要針對(duì)溝槽型IGBT結(jié)構(gòu)來具體分析其發(fā)生短路時(shí)的失效過程與短路閾值時(shí)間的計(jì)算方法。

2 短路失效機(jī)理與分析

在短路電流事件發(fā)生期間，芯片的預(yù)估溫升對(duì)于調(diào)整外部柵極電壓非常重要[8]。在本節(jié)中，計(jì)算了芯片內(nèi)部的溫升。對(duì)芯片的溫升過程加以分析后，在短路電流脈沖發(fā)生期間，極少的熱量能夠傳輸?shù)较噜徑Y(jié)構(gòu)層(層間焊料等)，這是對(duì)這一過程的粗略近似，且這種近似簡化僅適用于非常短的脈沖。從芯片面積和厚度來看，這個(gè)電壓范圍遵循單芯片的體積公式：

Vol=Llong×Lwidth×Lhigh

(1)

同時(shí)計(jì)算材料的比熱容需要考慮材料的質(zhì)量，以單質(zhì)硅的密度(2.34 g/cm3)來計(jì)算芯片的質(zhì)量：

m=ρ×Vol

(2)

通過計(jì)算硅的比熱容Cth,Si和測(cè)得的能量損耗功率，可以估算得到單芯片的溫升：

(3)

以英飛凌的高壓大電流模塊FF1400R17IP4為例[9-10]，此模塊采用第四代溝槽柵/場截止技術(shù)，對(duì)應(yīng)的額定電壓值為1 700 V，額定電流值為1 400 A。數(shù)據(jù)手冊(cè)當(dāng)中對(duì)于模塊短路的測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

從表1可以看出，當(dāng)母線設(shè)定為1 000 V、虛擬預(yù)估結(jié)溫為150 ℃時(shí)，器件在5 600 A的短路電流下可保證10 μs內(nèi)不發(fā)生電氣失效故障。通過對(duì)器件的短路失效原因進(jìn)行分析可知，半導(dǎo)體器件的短路失效多是由于負(fù)載側(cè)的故障所導(dǎo)致，因此可通過外部短接功率端子來實(shí)現(xiàn)短路閾值測(cè)試?；谡５臇艠O驅(qū)動(dòng)，模塊在短路電流的上升過程中，其上升時(shí)間不足0.5 μs，相較于10 μs可以將其進(jìn)行忽略以模仿器件在最惡劣的短路工況下的熱性能，即短路過程中將短路電流曲線視作階躍曲線，器件自身通過短路電流值的大小為5 600 A，通電時(shí)長為10 μs，集電極-發(fā)射極電壓為1 000 V，瞬時(shí)功率可達(dá)5.6 MW。由數(shù)據(jù)手冊(cè)中的指標(biāo)可知，在10 μs的短路閾值時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)器件的關(guān)斷，即可使器件的安全性得到保證。圖2所示為FF1400R17IP4所使用的芯片界面圖(尺寸為17 720 μm×7 700 μm)，模塊內(nèi)部使用了12個(gè)相同的IGBT芯片加以并聯(lián)均流，保證器件能夠承載足夠大的電流。在計(jì)算單一芯片的結(jié)溫變化時(shí)，應(yīng)對(duì)應(yīng)降低電流，基于理想化計(jì)算，其單芯片短路電流值為467 A，單芯片的通流面積為1.364 cm2，厚度為190 μm。

基于材料的熱特性，芯片結(jié)溫的變化量可由式4來加以計(jì)算：

(4)

式中，JC,SAT是IGBT飽和電流密度，JC,SAT=I/S=467A/S，S是芯片通流面積，S=1.364 cm2；VCE是芯片的集電極-發(fā)射極阻斷電壓，VCE=1 000 V；WSi是芯片層厚度，WSi=190 μm；CV是材料的容積比熱，與材料自身的熱力學(xué)特性相關(guān)，硅材料的容積比熱為1.66 J/(cm3·K)；t是短路電流通過芯片的時(shí)間，t=10 μs。

由于自熱效應(yīng)的影響，IGBT芯片的內(nèi)部溫度在短路大電流工況下會(huì)不斷升高，直至達(dá)到一個(gè)溫度臨界值(TCR)。然后，芯片經(jīng)歷一個(gè)熱失控過程，導(dǎo)致不可逆的熱損傷。對(duì)于硅材料而言，當(dāng)本征激發(fā)出的載流子濃度與N型低摻雜區(qū)的載流子濃度相當(dāng)時(shí)，柵極失去對(duì)電流通道的控制能力，即器件處于非受控導(dǎo)通狀態(tài)，該臨界溫度區(qū)間經(jīng)計(jì)算為650～700 K。因?yàn)槎搪烦掷m(xù)時(shí)間不足以在內(nèi)部晶體管之間建立反饋來導(dǎo)致寄生晶閘管的觸發(fā)，IGBT元胞在達(dá)到臨界溫度之前不會(huì)觸發(fā)寄生三極管的自鎖效應(yīng)。

在不計(jì)IGBT元胞內(nèi)部溫度不均勻所引起的溫度擴(kuò)散現(xiàn)象，對(duì)元胞短路狀態(tài)下的溫度變化量進(jìn)行計(jì)算，可以由式4得到：

(5)

式中，由表1可知，IGBT元胞的初始溫度Toriginal=150 ℃，臨界溫度取區(qū)間最大值700 K，即Tfinal=426.85 ℃，將數(shù)據(jù)手冊(cè)中的各數(shù)值代入式5可得其理想短路耐受閾值時(shí)間為25.5 μs。

由于IGBT元胞自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其發(fā)射極與柵極處于同一平面，且柵極部分不具備大電流通過條件，即功率側(cè)短路電流通過發(fā)射極區(qū)域與外電路構(gòu)成回路。由IGBT自身的特點(diǎn)可知，為了避免內(nèi)部PNP晶體管結(jié)構(gòu)出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象影響器件的正常關(guān)斷，通常是將PNP晶體管結(jié)構(gòu)的放大系數(shù)設(shè)置為0.5，即MOSFET結(jié)構(gòu)與PNP結(jié)構(gòu)承擔(dān)相同的電流值。在短路工況下，忽略N型重?fù)诫s區(qū)與P型溝道電流分流的差異，將兩部分的電流輸出截面積理想化處理為相等，且不考慮柵極結(jié)構(gòu)的特殊優(yōu)化，通過對(duì)傳統(tǒng)型第四代溝槽柵IGBT結(jié)構(gòu)的柵極與發(fā)射極截面的面積加以比較可知，第四代溝槽柵IGBT的發(fā)射極截面面積/元胞總截面面積約為0.4。忽略元胞的摻雜影響，可以得到元胞結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度最高值在發(fā)射極處，這一點(diǎn)與Baliga教授[11]的計(jì)算結(jié)果一致。因此，可以在式5內(nèi)加入面積調(diào)節(jié)系數(shù)KT，短路保護(hù)閾值時(shí)間可以由式6計(jì)算得出為10.2 μs，但在實(shí)際的元胞內(nèi)部，摻雜對(duì)于電場的分布有著極大的影響。

(6)

對(duì)于具有更加復(fù)雜結(jié)構(gòu)的元胞，其短路保護(hù)閾值時(shí)間的影響因素將更為復(fù)雜，式6是在對(duì)元胞摻雜情況進(jìn)行模糊化處理后所得的數(shù)值。

下述將對(duì)不同的發(fā)射極-集電極電壓下的元胞電流密度及電場分布加以仿真驗(yàn)證[12]。

3 仿真結(jié)果

相同的IGBT元胞在不同的VCE電壓下的電流密度分布如圖3所示，可以看出工作狀態(tài)下元胞上側(cè)的電流主要分布在發(fā)射極區(qū)域，且在高VCE時(shí)N型低摻雜基區(qū)有出現(xiàn)電流絲的趨勢(shì)。不同工況下的IGBT元胞電勢(shì)分布如圖4所示，隨著外加電壓的增大，元胞內(nèi)部的高場強(qiáng)區(qū)向發(fā)射極側(cè)轉(zhuǎn)移。不同工況下IGBT元胞晶格溫度分布如圖5所示，由圖5可以看出，元胞的內(nèi)部發(fā)熱區(qū)隨著VCE的變化而有所差異。隨著VCE電壓的增大，元胞的晶格溫度增大，且核心發(fā)熱區(qū)更為集中并向發(fā)射極側(cè)轉(zhuǎn)移。

a) VCE=50 V

b) VCE=3 V

導(dǎo)通狀態(tài)下，元胞內(nèi)部的電場主要聚集在P溝道與N型低摻雜區(qū)的交接處，隨著VCE的升高，電場逐漸向交界處集中，由于大電流通過該區(qū)域，即該區(qū)域的損耗相較于其他部分有著顯著的提升，對(duì)應(yīng)于該區(qū)域的高溫升。由于溝槽柵結(jié)構(gòu)的特殊性，可分析得到元胞在此處達(dá)到結(jié)構(gòu)的最高溫度，但由于其截面積相對(duì)于發(fā)射極面積更大，因此則短路保護(hù)閾值時(shí)間會(huì)大于10 μs。

a) VCE=50 V

b) VCE=3 V

a) VCE=50 V

4 結(jié)語

本文首先對(duì)IGBT各代結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)對(duì)短路工況下的第四代溝槽柵IGBT的熱失效機(jī)理進(jìn)行了研究。通過晶胞結(jié)構(gòu)的層面分析了短路電流導(dǎo)致的自熱效應(yīng)對(duì)器件安全工作區(qū)的影響。通過對(duì)元胞內(nèi)部的模糊化處理所得到的短路閾值時(shí)間計(jì)算式所得結(jié)果與短路電流經(jīng)驗(yàn)值相吻合，驗(yàn)證了該理論假設(shè)的可行性。隨后對(duì)同類型結(jié)構(gòu)的晶胞加以建模，并通過TCAD軟件對(duì)處于導(dǎo)通狀態(tài)下的元胞進(jìn)行短路性能測(cè)試。分別在3 V和50 V母線電壓工況下進(jìn)行瞬態(tài)短路工況仿真，分析了正常工況下和短路工況下的電流密度及電場的差異對(duì)硅材料熱力學(xué)性能的影響。通過對(duì)仿真結(jié)果的分析可知，器件在正常工作時(shí)的發(fā)熱區(qū)集中在元胞中部，隨著短路電流的增大，器件的發(fā)熱區(qū)逐漸向發(fā)射極轉(zhuǎn)移，其主要原因是集電極-發(fā)射極電壓降在P型溝槽區(qū)與N型低摻雜基區(qū)之間的區(qū)域逐步集中，且短路時(shí)的母線電壓越高，熱集中效應(yīng)越明顯。