半導體功率器件失效的原因多種多樣。換效后進行換效分析也是十分困難和復雜的。其中失效的主要原因之一是超出安全工作區(qū)（Safe Operating Area簡稱SOA）使用引起的。IGBT的失效大致可以從失效時間和失效表現形式這兩個維度去分析。

失效時間：在整個生命周期內，所有產品的失效率都是時間的函數，呈現明顯的階段性，遵循浴盆曲線（ Bathtub curve）的規(guī)律。IGBT也不例外。在曲線中，我們可以看到曲線的形狀呈兩頭高，中間低，可以分為三個階段：

1.早期失效

2.隨機失效

3.壽命終結失效

圖1所示的浴盆曲線中沒有具體的刻度，因為失效率和時間的絕對值取決于產品的類型和運行的條件。

圖1：浴盆曲線

早期失效：早期失效主要發(fā)生在生產測試，或者現場運行的早期。發(fā)生的原因有很多：比如器件在存儲、運輸、組裝過程中受到損傷等等。

隨機失效：隨機失效通常是不可控的發(fā)生。比如宇宙射線，閃電、污染等等。

隨機失效率與運行情況有很大的相關性。比如電子器件的失效率與運行的溫度呈指數關系，根據經驗法則，溫度每升高20℃，失效率會翻倍。

在浴盆曲線中，我們可以看到隨機失效率呈現較低的一個穩(wěn)定的值，可以用FIT（Failure In Time，指定運行條件的情況）來表示，實際表達的含義就是10億個小時內的失效數。在評估過程中，必須去除早期失效和壽命終結失效的元器件。

λ = nf / N *t 

FIT = λ * 10^9

nf = 失效的數量（個）    

N = 運行的器件總數量（個）  

t = 觀察的時間（以小時為單位）

MTBF (Mean Time Between Failures) 是指失效間隔的平均時間，針對的是可維修的器件。

MTTF (Mean Time To Failure) 是相同的概念，針對的是不可維修的器件。

MTBF 和MTTF均是λ的倒數。

MTBF=MTTF= 1/λ

需要注意的是：FIT，MTTF是描述某一種電子器件這一種群特性的統(tǒng)計參數，而不是種群內某一個單獨器件的壽命。

壽命終結失效

壽命終結失效的發(fā)生是由于器件的磨損，主要由器件功耗變化或外部環(huán)境變化引起的熱 - 機械應力導致，是不可避免的失效。器件的壽命取決于運行條件。在壽命模型的幫助下，賽米控開發(fā)了根據客戶給定應用條件來進行壽命計算的先進技術。

失效的表現形式

從失效的表現形式來看，IGBT的失效大致可以分為三類：

1.電氣過載

2.機械失效

3.環(huán)境影響

電氣過載 Electrical Over Stress

在測試、應用過程中，電壓、電流超出了IGBT安全工作范圍而導致的失效可以歸為電氣過載。（請見圖2，3，4）

圖2：SOA安全工作區(qū)域

圖3：RBSOA反偏安全工作區(qū)域

圖4：SCSOA短路安全工作區(qū)域

從失效狀態(tài)，結合應用的情況，過流可以分為短路導致的過流，持續(xù)的負載電流過流，開關過程中瞬間電流過大等不同的情況。過壓可以分為門極/發(fā)射極過壓，集電極/發(fā)射極之間的過壓等。

這些高電流、高電壓所表現出來的熱的積累，導致IGBT芯片在不同位置呈現不同形態(tài)、不同程度的擊穿或燒損狀態(tài)。（請見圖5，6，7，8）

除了電流、電壓的直接影響，設計中系統(tǒng)的熱阻Rth(j-a)、器件的損耗、采樣電阻溫度保護信號的設置不當、實際應用中散熱系統(tǒng)的維護處理不當都可能會導致熱量的累積發(fā)生失效，是需要關注的點。

圖5：IGBT芯片過流

圖6：IGBT芯片過流

圖7：IGBT芯片門極過載

圖8：IGBT芯片集電極-發(fā)射極過壓

IGBT的電氣過載失效是相對較為復雜的失效，在各種不同的實際案例中，有的案例有著相同的測試條件，但表現出的失效狀態(tài)卻不一樣，有的失效品呈現相同的失效狀態(tài)，但對應的根本原因卻是不一樣的。因此，在面對電氣過載失效的時候，我們需要結合失效狀態(tài)，并密切關注應用情況，比如失效率的統(tǒng)計，失效時間、位置的統(tǒng)計，從人、機、料、法、環(huán)五個方面辯證地評估有無變化導致失效的發(fā)生。

機械失效 Mechanical Over Stress

機械應力過大導致的失效，最常見的就是DCB破裂后模塊的絕緣失效（請見圖9）。DCB中的陶瓷一般是氧化鋁或氮化鋁。安裝、運輸過程中操作不當有可能導致陶瓷出現裂紋。

圖9：帶底板模塊剖面示意圖    

根據不同的DCB 裂紋的狀態(tài)，我們可以從以下方面有針對性地進行分析：

導熱硅脂的型號及粘稠度、預攪拌、涂抹方式是否會導致不均勻、涂抹厚度是否在賽米控推薦范圍內、覆蓋區(qū)域與模塊底部面積是否匹配、是否有異物等情況；

螺絲刀類型的選用，我們推薦使用電動螺絲刀，不推薦使用氣動螺絲刀，因為其鎖緊時的沖擊力可能會給模塊帶來不可預期的損壞；

螺絲刀轉速、扭矩，這需要根據賽米控提供的安裝說明進行設定，并定期對生產線的設備進行檢查、計量；

散熱器的平整度、清潔度、機械尺寸與模塊是否匹配；

螺絲型號的選用參考賽米控的安裝說明；

組裝方式，是否有預鎖緊，鎖緊后有無重復動作，有無根據安裝說明規(guī)定的順序進行安裝，安裝過程中，外殼與DCB之間是否有定位避免移動；

運輸過程中是否有較大的機械應力加載在模塊上。

環(huán)境影響 Environment

環(huán)境影響可以分為以下幾類：濕氣及冷凝水、灰塵、化學腐蝕、宇宙射線

濕氣及冷凝水

封裝內水分的差異在不同的封裝材料之間有一個平衡的過程，比如外部的相對濕度較大，經過一定的時間，較高的濕度也會穿過硅膠，來到芯片表面，從而實現內、外部的平衡。芯片表面儲存的水離子會帶來電磁場的變化。賽米控公司生產的大部分功率模塊是符合EN50178標準氣候等級3K3級別（請見圖10中粗線對應的范圍）

圖10：IEC60721-3-3中對應的氣候等級3K3

在3K3對應的安全工作區(qū)域內，相對濕度需小于85%，但是在華南地區(qū)或沿海地區(qū)夏天的濕度普遍高于這個值。在失效案例中，由于爆炸時能量太大，在失效品上我們也許未能觀察到芯片細微的變化，爆炸狀態(tài)也掩蓋了失效前水汽的存在。通過對失效地點、失效時間、失效率的統(tǒng)計分析，比如在沒有任何更改的情況下，沿海的風電設備只有在梅雨季節(jié)呈現較高的失效率，而一年的其他季節(jié)則運行穩(wěn)定，這也許與濕度有一定的相關性。因此為了避免較高的濕度或水汽凝結，必須通過一些額外的措施，比如機柜內使用加熱器、智能溫度檢測、冷卻水溫度控制等方法。

灰塵

端子間灰塵的累積會導致爬電距離的減小，會導致不可預期的拉弧放電。（請見圖11）

散熱器中灰塵的累積會導致散熱效果的下降，系統(tǒng)熱阻的上升，從而導致過熱失效。（請見圖12）

因此定期對機柜過濾網的檢查、更換，對機柜密封性能進行檢查不可或缺。

圖11：電容上的灰塵

圖12：散熱器中的灰塵

腐蝕

化學腐蝕導致的失效相對比較顯而易見，通過電鏡掃描和元素分析可以定位失效的原因。

比如在圖13中模塊內部出現的黑斑就是應用環(huán)境中硫的影響。

圖13：化學腐蝕的案例

宇宙射線

宇宙射線是一種很神秘的失效模式，來自于宇宙太空高能粒子的輻射。這些粒子有一部分會穿透半導體并造成器件的損壞，這種損壞是沒有任何痕跡并在納秒數量級的時間內發(fā)生。所以半導體的失效率是受到應用的海拔高度、直流母線電壓、芯片溫度的影響。海拔越高、電壓越高、溫度越低，失效率越高。