IPM模塊抗ESD能力研究

馮宇翔

廣東美的制冷設(shè)備有限公司 廣東順德 528311

關(guān)鍵字靜電；智能功率模塊；IGBT

1 引言

環(huán)境中存在靜電，這種靜電電壓從幾百伏到幾千伏不等，甚至更高，如果沒(méi)有任何靜電保護(hù)結(jié)構(gòu)，集成電路在存儲(chǔ)、運(yùn)輸以及使用工程中很容易被靜電損傷。靜電放電（ESD）是兩個(gè)靠近的帶電體之間電荷再次平衡的過(guò)程，當(dāng)帶靜電的人或物體與MOS器件的引腳接觸，并通過(guò)器件向地或者其他物體放電時(shí)，高電壓及其產(chǎn)生的大電流可能造成器件的損傷。ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)能將高壓靜電轉(zhuǎn)化成瞬態(tài)低壓大電流，最終將電流泄放，從而達(dá)到保護(hù)集成電路的目的。工業(yè)調(diào)查表明由ESD造成的芯片失效占失效總數(shù)的50%左右，所以ESD對(duì)提高芯片的可靠性至關(guān)重要。[1,2]

2 實(shí)驗(yàn)

通過(guò)靜電放電路徑分析和靜電實(shí)驗(yàn)兩種方式分析IPM模塊靜電失效點(diǎn)。圖1是本文分析的智能功率模塊的原理圖。靜電放電測(cè)試設(shè)備采用手動(dòng)ESD-606靜電放電發(fā)生器。檢查判定設(shè)備為TEKTRONIX370B晶體管圖示儀。

對(duì)兩兩管腳間的電路路徑共220種情況進(jìn)行回路分析的靜電實(shí)驗(yàn)。圖1中所示了管腳1-35間的靜電回路。表1中紅色字體為模塊最易損壞點(diǎn)。

其中兩兩引腳靜電回路全部集中在HVIC中的情況有：24～33，25～33，26～33，27～33，28～33，29～33，30～33，31～33，32～33，24～32，25～32，26～32，27～32，28～32，29～32，30～32，31～32，24～31，25～31，26～31，27～31，28～31，29～31，30～31，24～30，25～30，26～30，27～30，28～30，29～30，24～29，25～29，26～29，27～29，28～29，24～28，25～28，26～28，27～28，24～27，25～27，26～27，24～26，25～26，24～25，4～35，5～35，8～35，9～35，12～35，13～35，24～35，25～35，26～35，27～35，28～35，29～35，30～35，31～35，32～35，33～35，34～35，4～34，5～34，8～34，9～34，12～34，13～34，24～34，25～34，26～34，27～34，28～34，29～34，30～34，31～34，32～34，33～34，4～5，12～13，8～9。這些靜電測(cè)試中全部未發(fā)生靜電失效。

為了驗(yàn)證在IPM某兩個(gè)引腳上打ESD時(shí)，是否會(huì)在IGBT的柵極產(chǎn)生ESD電壓，在未封裝的IPM引腳上打ESD，監(jiān)測(cè)IGBT的柵極電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。如圖2所示用信號(hào)發(fā)生器在IPM引腳輸入5 V方波，可以在IGBT柵極產(chǎn)生4.6 V左右的方波。

3 結(jié)論

從理論分析和實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，IPM ESD測(cè)試過(guò)程中，靜電會(huì)直接作用于IGBT的柵極，因此IPM ESD水平和內(nèi)部IGBT ESD水平有直接關(guān)系[3]。對(duì)于高壓引腳的ESD測(cè)試，實(shí)際是對(duì)內(nèi)部IGBT的ESD測(cè)試。目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格書(shū)中都沒(méi)有規(guī)定IGBT的抗ESD水平。另外，市場(chǎng)上的IPM產(chǎn)品的抗ESD水平2000 V也只是IPM中HVIC部分水平，因此對(duì)IPM的抗ESD水平大于2000 V的規(guī)定僅限于低壓引腳部分，高壓引腳部分抗ESD能力應(yīng)重新制定合理的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[4,5]。對(duì)于IPM的研發(fā)或選型應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注高壓管腳的抗ESD水平。

圖1 本實(shí)驗(yàn)所用智能功率模塊原理圖及管腳1-35間靜電回路示意

表1 ESD測(cè)試中回路分析結(jié)果

圖2 IPM引腳輸入電壓對(duì)IGBT柵壓的影響，綠色線為IPM引腳上的輸入電壓，黃色線為監(jiān)測(cè)到的IGBT的柵極位置的電壓