对开关管损坏做失效分析的一种方法

shuszhao

那怎么解决呢？电路板工作中不可能不发生芯片或半导体器件的损坏，损坏后，要想从器件的尸体上发现其死因，并能知晓导致其死伤的应力和作用路径，自然就可以很容易的找到以后预防此类问题的解决方案。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。

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。

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。

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？