什么是宇宙射線？宇宙射線導(dǎo)致IGBT失效的機理

眾所周知，IGBT失效是IGBT應(yīng)用中的難題。大功率IGBT作為系統(tǒng)中主電路部分的開關(guān)器件，失效后將直接導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。宇宙射線作為一個無法預(yù)知的因素，可能就是導(dǎo)致IGBT發(fā)生意外故障的關(guān)鍵。

一、什么是宇宙射線

宇宙射線（Cosmic ray，或宇宙輻射 Cosmic radiation）是宇宙空間高能帶電粒子流的總稱，分為原生宇宙射線和衍生宇宙射線。

原生宇宙射線又稱初級宇宙（粒子）射線、γ射線，是來自外太空的高能帶電亞原子粒子（次原子粒子，指結(jié)構(gòu)比原子更小的粒子），由宇宙中的輻射源（如超新星爆發(fā)或某些矮星）直接發(fā)出高能粒子輻射（這里的輻射指粒子的高速運動，不是電磁輻射），這些高能粒子可能會與星際物質(zhì)碰撞產(chǎn)生二次粒子穿透地球的大氣層和表面，由此產(chǎn)生衍生宇宙射線，也叫次級宇宙（粒子）射線。

宇宙射線由1936年的諾貝爾獎獲得者奧地利物理學(xué)家維克托·赫斯在1912年首次發(fā)現(xiàn)，人們在地面上探測到的宇宙射線（除初級宇宙射線中微子外）基本都是次級宇宙射線，其中部分粒子對半導(dǎo)體芯片有一定破壞性。

二、宇宙射線導(dǎo)致IGBT失效的機理

研究發(fā)現(xiàn)，IGBT等功率半導(dǎo)體器件的失效主要是由宇宙射線中能量超過 10MeV 的中子引發(fā)的。

大部分宇宙射線的粒子在通過半導(dǎo)體芯片時，會從硅原子間的空隙中穿過，這種情況不會導(dǎo)致任何芯片損傷。但是小部分粒子會剛好撞上硅原子，如果粒子能力足夠強，硅原子會被撞飛。粒子取代原來硅原子的位置，并且產(chǎn)生出新類型的粒子。

如果芯片處于靜置狀態(tài)，沒有加電壓，內(nèi)部沒有電場，那在芯片內(nèi)部產(chǎn)生了一個微小的失效點不會導(dǎo)致整個芯片的失效，至少從測試手段來看無法檢測出這種微小的失效點。存儲芯片可能會導(dǎo)致某個字節(jié)的信息丟失，但是邏輯器件和功率器件只要不上電是不會損壞的。

但是處于阻斷高壓狀態(tài)的功率器件如IGBT，由于內(nèi)部有電場，粒子撞擊產(chǎn)生的電荷云會被電場放大，在電場的作用下，粒子撞擊會導(dǎo)致阻斷狀態(tài)的芯片上出現(xiàn)一個導(dǎo)電的隧道。這個隧道里阻斷電壓被短路從而產(chǎn)生一個非常集中的高密度的短路電流，原本可以承受的耐壓承受不住，在芯片上這個點從縱向破壞，發(fā)生擊穿失效。

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

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

1）宇宙射線損傷的主要類型

1.位移失效

位移失效即位移損傷效應(yīng)（Displacement Damage effect, DD）指當(dāng)中子等高能粒子入射到電力器件的內(nèi)部電路時，它會向靶材晶格原子的原子核方向運動，與原子核發(fā)生庫侖碰撞并伴隨有運動能量的傳遞，晶格原子在能量傳遞過程中會發(fā)生位移，從而在原位置形成晶格缺陷，又稱為費蘭克爾（Frenkel）缺陷，引起電力器件的電氣性能逐漸退化。一般來說，位移損傷對光電器件的危害較大，對 MOS 器件影響相對較小。

2.電離失效

電離失效即電離總劑量效應(yīng)（Total Ionizing Dose effect, TID）指高能帶電粒子入射到器件的內(nèi)部電路中時，可以通過電離過程使得一些束縛電子被從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶, 在柵氧化層中產(chǎn)生電子空穴對并發(fā)生擴散、漂移與復(fù)合。而由于電子與空穴的遷移率相差甚遠，從而形成大量未能與電子復(fù)合的空穴，最終在Si-SiO2交界處形成界面陷阱電荷，或者在氧化層中形成氧化物陷阱電荷，TID產(chǎn)生氧化物陷阱和界面態(tài)陷阱過程如圖所示。而電力器件在空間中遭受輻射總劑量的增加會引起陷阱電荷的累積，進而加劇輻射對電力器件的性能損傷，嚴(yán)重時甚至可使器件失靈或燒毀。

圖 TID產(chǎn)生氧化物陷阱和界面態(tài)陷阱過程

3.表面失效

表面失效即表面充放電效應(yīng)。裸露的電力設(shè)備表面與周圍環(huán)境中等離子體、太陽輻射、高能電子和磁場相互作用會引起電荷在設(shè)備表面累積，造成不同電力部件間或者裸露的太陽電池等設(shè)備與周圍環(huán)境的電勢差逐漸增大，當(dāng)積累的電勢差超過設(shè)備的放電閾值時，會發(fā)生一次和二次放電。

一次放電的電壓和釋放的能量均不大，且一般不會產(chǎn)生電弧，因此其影響較小。但二次放電的電壓高、能量大、溫度高，且伴有電弧，會造成太陽電池陣列等電源系統(tǒng)損壞，二極管等高壓電力變換設(shè)備燒毀，供電電纜被擊穿等。另外，放電效應(yīng)還可能與設(shè)備周圍的磁場相互作用，進而產(chǎn)生較強的電磁輻射，干擾分布式電力系統(tǒng)的正常運行，如造成太陽電池的帆板驅(qū)動機構(gòu)不能正常工作等。

2）宇宙射線失效的加速因子

宇宙射線失效的加速因子主要包括溫度、電場、海拔高度。IGBT失效模式中會因為過流/過壓/過熱/超SOA導(dǎo)致的偶發(fā)失效。

過壓是在任何條件下，接入電壓大于柵極電壓 VGS 引起擊穿，導(dǎo)致 IGBT 失效 。過溫是三相橋臂門極開關(guān)瞬態(tài)開通不一致的極限情況下引起單管承受所有相電流；或者MOS 管內(nèi)阻及功率回路抗擾差異，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)不均流；以及晶元與 leadframe、leadframe與 PCB 銅箔之間存在空洞，局部溫升高，引起 IGBT 模塊溫度過高，發(fā)生過溫失效。發(fā)生過溫失效的直接原因是溫升超過結(jié)溫 TSTG 及貯存溫度 TJ。低溫下失效率最高，并且隨著溫度升高失效率降低，這是因為隨溫度的升高雪崩電離率降低，所以結(jié)溫不要過低。海拔高度主要是因為越接近地面，大氣層濃度越高，因此接近地面時由于大氣層的吸收作用，有害射線的濃度會比高空要弱。

在實際應(yīng)用中，宇宙射線失效出現(xiàn)在IGBT或二極管芯片上時，其實很難和動態(tài)超安全工作區(qū)失效區(qū)分識別。IGBT芯片的超出RBSOA失效一般是由于關(guān)斷時某個點出現(xiàn)了閂鎖效應(yīng)，這個點電流密度非常大，會把芯片燒出一個垂直貫穿的洞。而宇宙射線導(dǎo)致的失效中，也是芯片的一個點被短路了，一般功率器件都是連在母線電容上，那電容上的能量就會從芯片上這個短路點持續(xù)流過，從而把芯片也燒出一個垂直的洞來。因此失效位置看起來和超出RBSOA是基本一樣的，無法區(qū)分，由于RBSOA的概率遠大于宇宙射線失效，所以一般報告都會給出RBSOA的結(jié)論。除非沒有電容上的能量擴大最初始的失效點。

圖 宇宙射線失效點落在芯片通流區(qū)和場限環(huán)位置時的狀態(tài)

三、如何測試宇宙射線對IGBT的失效

宇宙射線引起器件失效需符合兩個條件：首先漏電流始終不變直到發(fā)生故障， 其次是有一些典型的缺陷，比如在硅芯片上的某處有個小點。通常測試在宇宙射線密集的地方（例如瑞士少女峰山坳 Jungfraujoch）或有粒子光束的地方進行。

測試目的：一、檢查可用器件對宇宙射線的承受能力；二、將這些測試結(jié)果與在高度密集的質(zhì)子束或中子束中的測試結(jié)果作比較；三、為將來開發(fā)元器件建立起適當(dāng)?shù)脑O(shè)計規(guī)范。

將半導(dǎo)體器件置于質(zhì)子束和中子束中，可進行類似的測試。中子束的能量光譜與能量以及固定的中子流量成反比（跟宇宙射線中的中子成分一樣）。單能質(zhì)子束的能量和流量可變，相應(yīng)比例因數(shù)基于中子或質(zhì)子與硅材料的橫截面的相似性而定。失效率與中子和質(zhì)子流量成比例表明所失效主要是由宇宙射線的中子成分引起的。下圖是測試裝置位于Sphinx天文臺木屋頂下面、面積為0.7平方米的平臺上試驗，對二極管模塊在宇宙射線中的失效率與在質(zhì)子束中測試的失效率進行了比較，并且給出了計算的模型。

四、器件與工藝加固

IGBT可以適度減薄柵氧化層厚度；陽極側(cè)增加N緩沖層或加大漂移區(qū)摻雜；在柵氧化層注氟等。在設(shè)計電力電子器件的內(nèi)部電路時，有以下措施：在滿足工作需要的條件下，盡量選用高頻晶體管和小功率晶體管，使用二極管代替三極管，用薄膜電阻代替擴散電阻，降低晶體管的工作電壓或加大負(fù)載側(cè)電阻。

設(shè)計比較科學(xué)的器件，假如廠家設(shè)計的1200V或1700V器件，耐宇宙射線的魯棒性會比較好。因為內(nèi)部設(shè)計的電場比較合理，假如同樣遭受宇宙射線的轟擊，這些廠家設(shè)計的魯棒性就會比其他廠家強一些。從封裝來看，最近國際友商新出了 2300 V器件，但是目前使用的人不是很多。

客戶端應(yīng)對宇宙射線的辦法不是很多。首先要小心器件選型，耐壓的余量足夠大，特別是應(yīng)用在海拔較高的場合。有人提出在變流器上加一個鋁殼或者金屬罩，這是無效的。因為殼最多是鐵殼或者鋁殼，除非用鉛皮，例如醫(yī)院照 X-ray醫(yī)生穿的鉛服，否則擋不住宇宙射線，所以只能從器件的層面想辦法。

在封裝中需要考慮由于輻射導(dǎo)致的電失效，從一定程度上決定了封裝材料的選擇及其純度。另外，在封裝設(shè)計和布局時，輻射屏蔽也是重要的考慮因素。輻射對微電子的影響已經(jīng)成為阻礙VLSI密度進一步快速提高的重要因素。

來源：功率半導(dǎo)體生態(tài)圈

審核編輯：湯梓紅