CN111859839B - 一种压接式绝缘栅双极型晶体管高温反偏老化时间折算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压接式绝缘栅双极型晶体管高温反偏老化时间折算方法，通过计算压接式IGBT器件终端区钝化层拉应力造成的材料微元中的机械能，进而得到为获得IGBT器件同样老化程度，在不同温度、机械压力下必须持续的老化时间之间的比例系数，从而实现了不同老化时间之间的折算，进而可实现试验条件下器件的加速老化寿命与实际工作条件下使用寿命之间的折算。

Description

一种压接式绝缘栅双极型晶体管高温反偏老化时间折算方法

技术领域

本发明属于电力电子器件可靠性试验方法领域，涉及大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的高温反偏试验时间的确定检测，尤其涉及压接式IGBT器件钝化层在不同温度和机械应力下的老化时间折算方法。

背景技术

近年来，大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件出现了一种新的封装形式—压接式。大功率压接式IGBT器件无引线、无焊接且双面散热的独特设计，大幅度提升了单个器件的功率容量，提高了器件可靠性，目前已经有取代传统焊接灌封型IGBT器件的趋势，成为高端应用领域的首选器件之一。与以往焊接式封装不同，压接型IGBT器件需要通过外部压力使内部各个组件保持电气与机械连接。因此，IGBT内部机械应力、温度和电流之间存在复杂的耦合，引发器件的翘曲、开裂、老化，最终导致器件失效。

IGBT器件关断时，外加的高电压同时施加在器件内部的耐压层和终端结构上。随着大功率IGBT器件电压等级的升高，器件中IGBT芯片的终端设计越来越重要。典型终端结构包括钝化层、场板、场限环、结终端扩展或其组合，其作用是控制芯片内部PN结边缘电场。表面钝化结构主要用于控制半导体界面电荷问题。电荷陷阱可能来源于制造过程中的工艺环节及使用过程中老化，钝化结构对控制杂散电荷效应至关重要。有学者通过仿真计算表明，器件终端位置的电场最高(超过3kV/mm)，也是最容易发生绝缘失效的位置。也有人指出，钝化层表面场强可达100～150kV/cm。终端结构设计不合理，例如钝化层内存在较多的缺陷或杂质、局部电场过高、钝化层表面存在杂质等，将导致器件泄漏电流偏高，使用寿命缩短。

为了检验IGBT、MOSFET等功率半导体器件的可靠性，筛选不合格产品，需要开展众多的长期加速老化试验和环境试验，保障合格产品处于故障率浴盆曲线的中段(即，偶然老化期)。其中针对终端质量和寿命的试验主要是高温反偏试验。该试验对剔除具有表面效应缺陷的早期失效器件特别有效，还能揭示与时间和电应力有关的器件边缘及钝化层场耗尽结构中的缺陷和老化造成的电气失效模式。

根据国际电工委员会(IEC)的标准，该试验的条件为：试验过程中结温优选器件所能承受的最高结温，向集电极和发射极之间施加的电压V_CE优选最大电压V_CE-max的80％。一些IGBT器件厂家和使用者制定了更加详细的条件，例如结温150℃(-0℃/+5℃)，栅极(或者门极)电压V_GE＝0，持续时间1000h。考核结束后进行常规电学测试(参照国际标准IEC60747-9(2007))，不能通过常规电学测试的器件被判为不合格。这种加速老化试验的结果，需要借助老化模型给出的加速因子才能转换到工程实际应用中。目前，与高温反偏试验相配合的理论模型还不是非常完善，主要是装配或者工艺残留物造成的可动离子在终端表面强电场下累积，产生表面电荷，改变电场进而产生额外的泄漏电流；甚至可以在芯片的低掺杂区产生翻新沟道，并形成通过pn结的短路通道。

对于在3300V及其以上高电压等级的大功率压接式IGBT器件中，芯片终端部位的长期老化寿命问题越来越突出，成为制约器件研发的瓶颈之一。除了外部的残留可动离子源，终端绝缘自身的老化也是器件损坏的主要因素之一，特别是在工艺良好的条件下。但是，关于终端钝化层的电、热、力多因素老化规律的研究甚少。

众多电介质材料的长期电老化特性显示出了与外加机械应力的显著相关性，拉应力将增加材料的老化速度，减小材料的电寿命。而高电压、大功率压接式IGBT器件中，终端部位有时承受较大的拉应力。目前，针对压接式IGBT器件的终端，缺乏明确的加速老化模型，特别是缺乏机械应力对器件终端钝化层绝缘寿命影响情况的分析。

上述欠缺将导致压接式IGBT芯片的耐受试验时间难以合理确定、标准试验条件下的试验结果难以转化到各种不同温度、电场、机械应力的应用场景中去。若按照最严苛的应用场景筛选产品，则会造成极大的浪费和过高的成本。

发明人将现有的常用于IGBT栅氧层SiO₂薄层的电介质电、热老化模型与电介质材料的电、热、力多因子老化模型相结合，建立了IGBT终端区域SiO₂钝化层的电、热、力联合老化模型，进而提出了不同温度、机械应力条件下高温反偏试验中老化时间的折算方法。

发明内容

本发明提供的一种压接式绝缘栅双极型晶体管高温反偏老化时间折算方法，包括以下步骤：

步骤1：利用公式(1)计算压接式绝缘栅双极型晶体管终端区域SiO₂钝化层在拉应力σ₁下的O₃≡S_i-O-S_i≡O₃微元的机械能w₁；

其中：Y——钝化层的杨氏弹性模量，等于72GPa；

V——单位微元体积，设为1cm³；

N——1cm³体积中SiO₂分子数，为2.3*10²²；

步骤2：利用公式(2)计算压接式绝缘栅双极型晶体管终端区域SiO₂钝化层在拉应力σ₂下的O₃≡S_i-O-S_i≡O₃微元的机械能w₂；

其中：Y——钝化层的杨氏弹性模量，等于72GPa；

V——单位微元体积，设为1cm³；

N——1cm³体积中SiO₂分子数，为2.3*10²²；

步骤3：利用公式(3)计算为达到某一老化程度，压接式绝缘栅双极型晶体管必须在假设的第一种情况，即温度T₁、拉应力σ₁下的持续时间L₁与晶体管必须在假设的第二种情况，即温度T₂、拉应力σ₂下的持续时间L₂之间的比例F；

其中：K_B——玻尔兹曼常数，等于1.3806505×10^-23J/K(8.617×10^-5eV/K)；

T₁——器件所处假设的第一种情况下的绝对温度，单位为K；

T₂——器件所处假设的第二种情况下的绝对温度，单位为K；

(ΔH)₀——Si-Si键断裂的活化能，等于0.75ev；

a——SiO₂钝化层晶格中分子的极化率，等于

E_ox——外加电场，取终端区钝化层上的电场强度；

步骤4：利用公式(4)从L₁折算L₂，或者从L₂折算L₁；

L₁＝F×L₂ (4)

本发明的有益效果是，给出了L₁与L₂之间的折算关系。在压接式IGBT器件的高温反偏试验中，为了获取某一老化程度，可以通过将器件置于温度T₁、钝化层拉应力σ₁下持续时间L₁来获得该老化程度，也可以通过将器件置于温度温度T₂、钝化层拉应力σ₂下持续时间L₂来获得该老化程度。例如，在IGBT器件的高温反偏试验中，温度T₁是IGBT的温度(一般选用150℃，即423K)，拉应力σ₁是外加巨大夹持力下钝化层上的拉应力，器件在该环境中持续1000h所达到的老化程度，将等于IGBT器件在实际工作温度T₂(一般选取50℃，即323K)、无外部夹持力(即，拉应力σ₂是IGBT自身夹持力下钝化层上的拉应力)下持续1000/F小时。更进一步，若通过T₁和σ₁条件下的高温反偏试验获得某型号压接式IGBT器件的加速老化寿命为L_f-test，则可以根据本发明，推算出该型号IGBT器件在T₂和σ₂条件下的使用寿命L_f-real：

附图说明

图1为本发明提供的压接式绝缘栅双极型晶体管高温反偏老化时间折算方法的实施流程图。

具体实施方式

下面以3300V/50A的单芯片压接式IGBT器件为例，详细说明本发明的具体实施方式。

已知压接式IGBT在自身夹持力下，钝化层最大拉应力为67.1Mpa；在外加2Gpa机械压强时，钝化层最大拉应力达到2.8Gpa，终端区钝化层上的电场强度高达200kV/cm。某型号压接式IGBT进行高温反偏实验时，温度T₁为423K，器件受到外加机械压力(压强保持在2Gpa，则钝化层最大拉应力σ₁达到2.8Gpa)，得到器件的加速老化寿命L_f-test为200小时，需要推算该型号压接式IGBT在实际工作条件(温度T₂为323K，钝化层最大拉应力σ₂为67.1Mpa)的使用寿命L_f-real是多少？

步骤1：利用公式(1)计算压接式绝缘栅双极型晶体管终端区域SiO₂钝化层在拉应力σ₁下的O₃≡S_i-O-S_i≡O₃微元的机械能w₁，可得w₁等于9.468×10^-21J；

步骤2：利用公式(2)计算压接式绝缘栅双极型晶体管终端区域SiO₂钝化层在拉应力σ₂下的O₃≡S_i-O-S_i≡O₃微元的机械能w₂，可得w₂等于0.0054×10^-21J；

步骤3：利用公式(3)计算压接式绝缘栅双极型晶体管在温度T₁、拉应力σ₁下的寿命L_f-test与晶体管在温度T₂、拉应力σ₂下的寿命L_f-real之间的比例F，可得F为6.8×10^-4；

步骤4：利用公式(5)从L_f-test折算L_f-real,可得L_f-real等于294127.5h，即33.57年。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种压接式绝缘栅双极型晶体管高温反偏老化时间折算方法，其特征是，所述方法包括：

步骤1：利用公式(1)计算压接式绝缘栅双极型晶体管终端区域SiO₂钝化层在拉应力σ₁下的O₃≡S_i-O-S_i≡O₃微元的机械能w₁；

其中：Y——钝化层的杨氏弹性模量，等于72GPa；

V——单位微元体积，设为1cm³；

N——1cm³体积中SiO₂分子数，为2.3*10²²；

步骤2：利用公式(2)计算压接式绝缘栅双极型晶体管终端区域SiO₂钝化层在拉应力σ₂下的O₃≡S_i-O-S_i≡O₃微元的机械能w₂；

其中：Y——钝化层的杨氏弹性模量，等于72GPa；

V——单位微元体积，设为1cm³；

N——1cm³体积中SiO₂分子数，为2.3*10²²；

步骤3：利用公式(3)计算为达到某一老化程度，压接式绝缘栅双极型晶体管必须在假设的第一种情况，即温度T₁、拉应力σ₁下的持续时间L₁与晶体管必须在假设的第二种情况，即温度T₂、拉应力σ₂下的持续时间L₂之间的比例F；

其中：K_B——玻尔兹曼常数，等于1.3806505×10^-23J/K(8.617×10^-5eV/K)；

T₁——器件所处假设的第一种情况下的绝对温度，单位为K；

T₂——器件所处假设的第二种情况下的绝对温度，单位为K；

(ΔH)₀——Si-Si键断裂的活化能，等于0.75ev；

a——SiO₂钝化层晶格中分子的极化率，等于

E_ox——外加电场，取终端区钝化层上的电场强度；

步骤4：利用公式(4)从L₁折算L₂，或者从L₂折算L₁；

L₁＝F×L₂ (4) 。

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