IGBT芯片疲劳失效机理及其健康状态监测方法研究

The field of power electronic and power conversion puts forward higher requirements for the reliability of IGBT devices, therefore, against the prominent contradiction between the reliability of power transformation applications and the fatigue failure of IGBT chip, the project proposes to carry out the research on the fatigue failure mechanism of IGBT chip and health condition monitoring methods. Based on the theory of semiconductor physics and the physics of device reliability, the fatigue failure mechanisms of IGBT chip and correlative characteristics are found out. The laws of IGBT failure characteristics with fatigue stressing level and time are studied. By combining theoretical analysis with analytical description, the health condition monitoring methods of IGBT chip fatigue failure characteristics are established, which can be used to assess and monitor the health state of IGBT module in different phases of lifetime effectively. When the correlative failure characteristics of IGBT reaching the failure criteria and not eventually losing the established functions, it must be replaced in time to prevent the failure of IGBT module, so as to improve the reliability of IGBT device and power conversion.

针对电力电子电能变换领域对电能变换装置提出的高可靠性要求与IGBT器件芯片疲劳失效之间的突出矛盾，本项目提出开展IGBT芯片疲劳失效机理及其健康状态监测方法研究。基于半导体物理理论和器件可靠性物理学，查明IGBT芯片的疲劳失效机理及相关失效特征量的变异机理；研究失效特征量随疲劳老化应力水平与施加时间的变化规律，将理论分析与解析描述相结合，建立IGBT芯片疲劳失效特征量的健康状态监测方法并进行实验验证。采用所建立的健康状态监测方法对处于不同寿命阶段的IGBT器件健康状态进行实时监测，当IGBT相关失效特征量达到失效标准且器件未最终丧失既定功能时，及时对其进行更换，避免器件发生失效，从而提高IGBT器件及电能变换装置的可靠性。

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为电能变换装置的核心部件，在航空航天、电磁发射、海上运输、轨道交通、新能源发电等军事、经济领域得到广泛应用，具有不可替代的地位和作用。因此，提高电能变换装置可靠性与IGBT器件疲劳失效之间的矛盾日益凸显，已成为当前研究的首要任务。IGBT疲劳失效按照其失效部位分为芯片疲劳失效和封装疲劳失效。当前，针对IGBT芯片疲劳失效的健康状态监测与可靠性评估研究基本处于空白，而针对封装疲劳失效的健康状态监测与可靠性评估研究国内外已具备一定基础。根据这种现状，本项目通过详细分析IGBT芯片疲劳失效机理，在研究失效特征量随疲劳老化时间变化规律的基础之上，通过将理论分析与解析描述相结合，建立了IGBT相关电气特征量的健康状态监测方法，对处于不同寿命阶段的IGBT器件健康状态进行有效评估。本项目主要研究内容与成果包括：.对IGBT器件芯片相关疲劳失效机理和芯片疲劳后IGBT电气特性变异规律进行了深入分析。得出在电热应力作用下，IGBT栅极界面包括Al-SiO2和Si-SiO2界面发生疲劳，栅极电荷面密度增大导致IGBT器件阈值电压逐渐增大；IGBT发射极界面包括Al-Si界面发生疲劳，导致发射极界面漏电流增大，PN结击穿电压降低，漏电流增大；芯片硅材料发生疲劳，载流子迁移率减小，硅材料电导率减小，硅芯片电性能下降，芯片饱和压降增大，且疲劳效应是随着应力施加时间不断累积的。.通过将理论分析与解析描述相结合，建立了芯片疲劳相关特征量的健康状态监测方法，通过该方法可以对IGBT芯片疲劳老化程度进行有效评估。基于IGBT芯片疲劳失效机理，通过研究栅极电荷面密度随疲劳老化应力施加时间的变化规律，建立了IGBT阈值电压健康状态监测方法；通过研究集电极漏电流随栅极电压、集射极电压、温度和疲劳老化应力施加时间的变化规律，建立了IGBT集电极漏电流健康状态监测方法；通过研究关断时间随电压、电流和疲劳老化应力施加时间的变化规律，建立了IGBT关断时间健康状态监测方法。