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什么是宇宙射线?宇宙射线导致IGBT失效的机理

芯长征科技 来源:功率半导体生态圈 2023-12-27 09:39 次阅读

众所周知,IGBT失效是IGBT应用中的难题。大功率IGBT作为系统中主电路部分的开关器件,失效后将直接导致系统瘫痪。宇宙射线作为一个无法预知的因素,可能就是导致IGBT发生意外故障的关键。

一、什么是宇宙射线

宇宙射线(Cosmic ray,或宇宙辐射 Cosmic radiation)是宇宙空间高能带电粒子流的总称,分为原生宇宙射线和衍生宇宙射线。

原生宇宙射线又称初级宇宙(粒子)射线、γ射线,是来自外太空的高能带电亚原子粒子(次原子粒子,指结构比原子更小的粒子),由宇宙中的辐射源(如超新星爆发或某些矮星)直接发出高能粒子辐射(这里的辐射指粒子的高速运动,不是电磁辐射),这些高能粒子可能会与星际物质碰撞产生二次粒子穿透地球的大气层和表面,由此产生衍生宇宙射线,也叫次级宇宙(粒子)射线。

宇宙射线由1936年的诺贝尔奖获得者奥地利物理学家维克托·赫斯在1912年首次发现,人们在地面上探测到的宇宙射线(除初级宇宙射线中微子外)基本都是次级宇宙射线,其中部分粒子对半导体芯片有一定破坏性。

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二、宇宙射线导致IGBT失效的机理

研究发现,IGBT等功率半导体器件的失效主要是由宇宙射线中能量超过 10MeV 的中子引发的。

大部分宇宙射线的粒子在通过半导体芯片时,会从硅原子间的空隙中穿过,这种情况不会导致任何芯片损伤。但是小部分粒子会刚好撞上硅原子,如果粒子能力足够强,硅原子会被撞飞。粒子取代原来硅原子的位置,并且产生出新类型的粒子。

如果芯片处于静置状态,没有加电压,内部没有电场,那在芯片内部产生了一个微小的失效点不会导致整个芯片的失效,至少从测试手段来看无法检测出这种微小的失效点。存储芯片可能会导致某个字节的信息丢失,但是逻辑器件和功率器件只要不上电是不会损坏的。

但是处于阻断高压状态的功率器件如IGBT,由于内部有电场,粒子撞击产生的电荷云会被电场放大,在电场的作用下,粒子撞击会导致阻断状态的芯片上出现一个导电的隧道。这个隧道里阻断电压被短路从而产生一个非常集中的高密度的短路电流,原本可以承受的耐压承受不住,在芯片上这个点从纵向破坏,发生击穿失效。

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[1]A.D.Touboul,Microelectronics Reliability 52,2012,P.124–129

[2]C.Findeisen,Microelectronics Reliability 38,1998,P.1335 - 1339

1)宇宙射线损伤的主要类型

1.位移失效

位移失效即位移损伤效应(Displacement Damage effect, DD)指当中子等高能粒子入射到电力器件的内部电路时,它会向靶材晶格原子的原子核方向运动,与原子核发生库仑碰撞并伴随有运动能量的传递,晶格原子在能量传递过程中会发生位移,从而在原位置形成晶格缺陷,又称为费兰克尔(Frenkel)缺陷,引起电力器件的电气性能逐渐退化。一般来说,位移损伤对光电器件的危害较大,对 MOS 器件影响相对较小。

2.电离失效

电离失效即电离总剂量效应(Total Ionizing Dose effect, TID)指高能带电粒子入射到器件的内部电路中时,可以通过电离过程使得一些束缚电子被从价带激发到导带, 在栅氧化层中产生电子空穴对并发生扩散、漂移与复合。而由于电子与空穴的迁移率相差甚远,从而形成大量未能与电子复合的空穴,最终在Si-SiO2交界处形成界面陷阱电荷,或者在氧化层中形成氧化物陷阱电荷,TID产生氧化物陷阱和界面态陷阱过程如图所示。而电力器件在空间中遭受辐射总剂量的增加会引起陷阱电荷的累积,进而加剧辐射对电力器件的性能损伤,严重时甚至可使器件失灵或烧毁。

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图 TID产生氧化物陷阱和界面态陷阱过程

3.表面失效

表面失效即表面充放电效应。裸露的电力设备表面与周围环境中等离子体、太阳辐射、高能电子和磁场相互作用会引起电荷在设备表面累积,造成不同电力部件间或者裸露的太阳电池等设备与周围环境的电势差逐渐增大,当积累的电势差超过设备的放电阈值时,会发生一次和二次放电。

一次放电的电压和释放的能量均不大,且一般不会产生电弧,因此其影响较小。但二次放电的电压高、能量大、温度高,且伴有电弧,会造成太阳电池阵列等电源系统损坏,二极管等高压电力变换设备烧毁,供电电缆被击穿等。另外,放电效应还可能与设备周围的磁场相互作用,进而产生较强的电磁辐射,干扰分布式电力系统的正常运行,如造成太阳电池的帆板驱动机构不能正常工作等。

2)宇宙射线失效的加速因子

宇宙射线失效的加速因子主要包括温度、电场、海拔高度。IGBT失效模式中会因为过流/过压/过热/超SOA导致的偶发失效。

过压是在任何条件下,接入电压大于栅极电压 VGS 引起击穿,导致 IGBT 失效 。过温是三相桥臂门极开关瞬态开通不一致的极限情况下引起单管承受所有相电流;或者MOS 管内阻及功率回路抗扰差异,导致稳态不均流;以及晶元与 leadframe、leadframe与 PCB 铜箔之间存在空洞,局部温升高,引起 IGBT 模块温度过高,发生过温失效。发生过温失效的直接原因是温升超过结温 TSTG 及贮存温度 TJ。低温下失效率最高,并且随着温度升高失效率降低,这是因为随温度的升高雪崩电离率降低,所以结温不要过低。海拔高度主要是因为越接近地面,大气层浓度越高,因此接近地面时由于大气层的吸收作用,有害射线的浓度会比高空要弱。

在实际应用中,宇宙射线失效出现在IGBT或二极管芯片上时,其实很难和动态超安全工作区失效区分识别。IGBT芯片的超出RBSOA失效一般是由于关断时某个点出现了闩锁效应,这个点电流密度非常大,会把芯片烧出一个垂直贯穿的洞。而宇宙射线导致的失效中,也是芯片的一个点被短路了,一般功率器件都是连在母线电容上,那电容上的能量就会从芯片上这个短路点持续流过,从而把芯片也烧出一个垂直的洞来。因此失效位置看起来和超出RBSOA是基本一样的,无法区分,由于RBSOA的概率远大于宇宙射线失效,所以一般报告都会给出RBSOA的结论。除非没有电容上的能量扩大最初始的失效点。

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图 宇宙射线失效点落在芯片通流区和场限环位置时的状态

三、如何测试宇宙射线对IGBT的失效

宇宙射线引起器件失效需符合两个条件:首先漏电流始终不变直到发生故障, 其次是有一些典型的缺陷,比如在硅芯片上的某处有个小点。通常测试在宇宙射线密集的地方(例如瑞士少女峰山坳 Jungfraujoch)或有粒子光束的地方进行。

测试目的:一、检查可用器件对宇宙射线的承受能力;二、将这些测试结果与在高度密集的质子束或中子束中的测试结果作比较;三、为将来开发元器件建立起适当的设计规范。

将半导体器件置于质子束和中子束中,可进行类似的测试。中子束的能量光谱与能量以及固定的中子流量成反比(跟宇宙射线中的中子成分一样)。单能质子束的能量和流量可变,相应比例因数基于中子或质子与硅材料的横截面的相似性而定。失效率与中子和质子流量成比例表明所失效主要是由宇宙射线的中子成分引起的。下图是测试装置位于Sphinx天文台木屋顶下面、面积为0.7平方米的平台上试验,对二极管模块在宇宙射线中的失效率与在质子束中测试的失效率进行了比较,并且给出了计算的模型。

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四、器件与工艺加固

IGBT可以适度减薄栅氧化层厚度;阳极侧增加N缓冲层或加大漂移区掺杂;在栅氧化层注氟等。在设计电力电子器件的内部电路时,有以下措施:在满足工作需要的条件下,尽量选用高频晶体管和小功率晶体管,使用二极管代替三极管,用薄膜电阻代替扩散电阻,降低晶体管的工作电压或加大负载侧电阻。

设计比较科学的器件,假如厂家设计的1200V或1700V器件,耐宇宙射线的鲁棒性会比较好。因为内部设计的电场比较合理,假如同样遭受宇宙射线的轰击,这些厂家设计的鲁棒性就会比其他厂家强一些。从封装来看,最近国际友商新出了 2300 V器件,但是目前使用的人不是很多。

客户端应对宇宙射线的办法不是很多。首先要小心器件选型,耐压的余量足够大,特别是应用在海拔较高的场合。有人提出在变流器上加一个铝壳或者金属罩,这是无效的。因为壳最多是铁壳或者铝壳,除非用铅皮,例如医院照 X-ray医生穿的铅服,否则挡不住宇宙射线,所以只能从器件的层面想办法。

在封装中需要考虑由于辐射导致的电失效,从一定程度上决定了封装材料的选择及其纯度。另外,在封装设计和布局时,辐射屏蔽也是重要的考虑因素。辐射对微电子的影响已经成为阻碍VLSI密度进一步快速提高的重要因素。

来源:功率半导体生态圈

审核编辑:汤梓红

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原文标题:IGBT失效与宇宙射线

文章出处:【微信号:芯长征科技,微信公众号:芯长征科技】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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