但这一切的难点就是如何分析出器件的死因。这里介绍一种无损探伤的测试路径和分析方法——IV曲线测试与分析。

对器件失效分析的步骤做一个活动分解,可以分解成四步:

1、具体哪个管脚坏了?

2、坏的管脚坏到了什么程度?

3、是什么应力导致的损坏?

4、怎么解决或预防?

通过IV曲线分析,可以轻松地完成第1、2条,第3条需要那么一丢丢经验和逻辑推理能力,但稍加研究即可掌握,前3条解决了之后,至于第4条嘛,对于设计师来说,简直就是瓜熟蒂落、水到渠成的事了。

下面以某大型厨电单位所提供的一个IGBT的失效分析案例为例子来分析说明。

这种测试方法是对比测试,就是必须得有一个同厂家的好的器件,再有故障器件,两个进行曲线对比。于是,在该客户单位与我联系的时候,我让他们先提供了一个好的IGBT,厂家也特大方,同时还寄来了一兜子20多个故障片,然后我下载了该器件的datasheet,如下图的“IGBT内部结构图”。然后做对比测试,如下图中的曲线,蓝色线是完好器件的IV曲线,红色线是故障器件的曲线,两相对照,差异立现。哪个管脚坏,坏到了什么程度的问题以一种很显性直观的方式呈现在眼前呢。然后就是第三步做分析了。

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IGBT的pin1是栅极,栅极是绝缘栅,顾名思义,它与其它管脚是绝缘的,通过绝缘栅的电压控制CE之间的电流,可以理解为是一个压控电流通路。因此,gc之间应该是断开的额,ge之间也是断开的,由IV曲线测试结果,Pin1-Pin2与Pin1-Pin3里的蓝线很明白的说明了这点,只有电压没有电流与横轴重合的那条线不就是表明是断开的意思嘛。但是红色的线呢(故障器件的曲线),明显不一样,而且成一条过圆心的斜直线,这是典型的电阻特性曲线,说明坏IGBT的gc、ge端表现为小电阻特性。而且,斜率越大,说明电阻越小(这一条后面有用)。

Pin2-Pin3之间表现为二极管的转折特性,这里没有反向击穿的曲线部分,是因为我们的测试是为了发现问题,而不是为了做破坏性试验制造问题,所以反向电压没加到能反向击穿PN结的程度。而且,在g极未加电的情况下,ce通路里的集电极发射极通路也不会导通,只剩下了ce通路上的二极管特性。

但是坏的IGBT呢,ce端也表现了小电阻特性(pin2-Pin3、Pin3-Pin2的红色曲线),而且注意一个细节,这个pin2-pin3斜线的斜率与Pin1-pin2的红线斜率相比,明显要大,那就是说,其电阻值Rce一定小于Rcg,那就说明Rce不是只由Rcg+Rge叠加形成过的,应该在Rce通路上还有个小电阻特性。如下图中的红线示意图。

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这种损伤一般是电压损伤。电流损伤是热损伤,有烧的痕迹和味道,而且在这么小电阻的情况下一般是开路;如果是机械损伤,一般是断裂,也表现为开路。这部分就是经验总结出来的了。

继续往下求索,那是哪里来的高电压呢,而且是电流又不是持续性很大的那种电压,要是持续性电流也较大,就是烧的损伤了。所以确定为是瞬间高压。作为功率开关类器件,三个管脚之间都有这么严重的损伤,一般不太可能是ESD导致的,极大可能是瞬间尖峰。

能在电路里产生瞬间尖峰电压的一般是两种情况:1、器件管脚接触线上有接插件松动,时松时紧,产生生瞬间通断的打火高压;2、开关通路上有感性器件,电感在导通、断开瞬间,会有反向电动势,其大小为L*di/dt,现在的控制电路,栅极控制信号的上升沿、下降沿都很陡,基本都在μs、ns级,一个很小的时间做分母,算出来的结果小不了,但因为每次时间都很短,电流时间很短,不足以积累太多的电流热量,所以不会发生烧毁。

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拿到客户提供的电路图,该IGBT连接了电机的线圈,该线圈表现为感抗特性,开关电源的源边线圈与开关管的连接方法与此也类似。在g级下降沿的时候,原来线圈上有电流i在流过,突然关断瞬间,i会急剧减小,电感察觉到i有变小的趋势,就会产生反向电动势,将线圈里积聚的能量释放出来,此时其类似于电池,但也只是一瞬间而已。反向电动势的方向,电感线圈下为+,上为-,大小Ldi/dt,dt大小即为控制信号下降沿ts,这一刻,Vce=U+L*di/dt,但这个电压也就是短短一瞬,毛刺式的尖锋电压。用带宽比较低的示波器都未必测得出来。就如被针刺,一次两次,多扎几次后,就如皮肤一样,虽然没有特明显的大血窟窿,但一堆针眼下的PN结也就成了小电阻特性。Vce电压较高,cg、ge之间也会有结电容,Vce的电压被cg、ge电容分压后,Vcg的电压击穿绝缘栅的结电容,也会形成小电阻特性。

经过这一系列的过程,开关管被击穿的道理就讲明白了吧?

那怎么解决呢?

高铁马上到站了,来不及了今天,大家持续关注……