对损坏器件做失效分析的一种简单方法

对损坏器件做失效分析的一种简单方法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？那怎么解决呢？高铁马上到站了，来不及了今天，大家持续关注……我们提供器件故障失效分析及电路整改的技术服务，IV曲线的委托测试，也有IV测试仪器的生产，也可联络欧