IGBT的封裝失效機(jī)理

IGBT模塊主要由多片混合型IGBT芯片組成，通過鋁線進(jìn)行電連接。在標(biāo)準(zhǔn)的IGBT封裝中，單個(gè)IGBT還將具有續(xù)流二極管，然后大量硅凝膠將被澆注到芯片之上。最后，它將被包裝在塑料外殼中。

IGBT單元的堆疊結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

從上到下，它由三部分組成：芯片，DBC（定向鍵合銅）和金屬散熱器（通常是銅）。DBC由三層材料組成，上下層為金屬層，中間層為絕緣陶瓷層。與陶瓷基片相比，DBC具有更輕的重量、更好的導(dǎo)熱性和更好的可靠性。

2 IGBT封裝失效機(jī)制

電力設(shè)備的可靠性是指設(shè)備在特定條件下執(zhí)行特定功能的能力，通常以使用壽命來(lái)表示。半導(dǎo)體器件主要用于實(shí)現(xiàn)電流開關(guān)，這將導(dǎo)致較大的功率損耗。電力電子系統(tǒng)的熱管理已經(jīng)成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的部分。在電力電子器件的工作過程中，首先要解決的是熱問題，包括穩(wěn)態(tài)溫度、溫度循環(huán)、溫度梯度以及封裝材料在工作溫度下的匹配。

由于IGBT采用層壓封裝技術(shù)，不僅提高了封裝密度，而且縮短了芯片間導(dǎo)線的互連長(zhǎng)度，從而提高了器件的運(yùn)行速度。然而，由于這種結(jié)構(gòu)，IGBT的可靠性受到了質(zhì)疑。不難想象，IGBT模塊封裝層的失效主要發(fā)生在鍵合線、芯片焊接、基板焊接等連接處。

在正常功率或溫度循環(huán)中，芯片、焊料層、基板、底板和封裝外殼經(jīng)歷不同層的溫度梯度。熱膨脹系數(shù)（CTE）是材料的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。它是指在一定的溫度范圍內(nèi)，每當(dāng)溫度上升0°時(shí)，線尺寸的增長(zhǎng)與材料長(zhǎng)度的比率。圖1-2是IGBT堆疊結(jié)構(gòu)中常用的材料的熱膨脹系數(shù)。由于各材料的熱膨脹系數(shù)不同，當(dāng)溫度變化時(shí)，不同材料的熱應(yīng)變也不同，互聯(lián)層間的接頭會(huì)因熱應(yīng)力而導(dǎo)致疲勞損失。因此，器件的熱行為與模塊封裝的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。研究表明，工作溫度每上升10℃，由溫度引起的失效率就會(huì)翻倍。

圖1-3說(shuō)明了IGBT模塊在運(yùn)行過程中容易發(fā)生疲勞磨損的點(diǎn)。

鋁連接導(dǎo)體的脫離

IGBT中的鋁結(jié)合線通常直徑為300-500μm，其化學(xué)成分因制造商而異。然而，在幾乎所有情況下，通過在純鋁中添加千分之一的合金，例如硅鎂或硅鎳合金，可以大大提高鋁的硬度，并且可以控制耐腐蝕性。由于長(zhǎng)度不成比例，并且稍微依賴于襯底的溫度，所以結(jié)線的電流容量將降低。最大直流電流由導(dǎo)體本身的歐姆熱效應(yīng)引起的熔化所限制。由于鋁鍵合線直接與芯片或壓力緩沖器連接，因此能夠承受較大的溫度變化，IGBT模塊由具有不同熱膨脹系數(shù)的材料組成。在工作過程中，會(huì)出現(xiàn)明顯的熱疲勞。隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，這種疲勞現(xiàn)象將越來(lái)越明顯，焊絲本身的歐姆效應(yīng)將越來(lái)越明顯，最終在焊絲根部產(chǎn)生裂紋。鋁導(dǎo)體的改造

在熱循環(huán)試驗(yàn)中，熱膨脹系數(shù)的失配會(huì)引起粘結(jié)面的周期性擠出和拉拔，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了材料本身的膨脹范圍。在這種情況下，壓力會(huì)以不同的方式釋放，如擴(kuò)散蠕變、顆粒滑移、位錯(cuò)等。鋁的重塑導(dǎo)致接觸表面有效面積的減小，從而導(dǎo)致阻擋電阻的增加。這也解釋了為什么Vce隨著周期性測(cè)試而線性增加。

焊料疲勞和焊料空隙

芯片與基板之間的焊料層由于熱膨脹系數(shù)的差異而產(chǎn)生的裂紋將增加導(dǎo)體的接觸電阻，電阻的增加將導(dǎo)致歐姆效應(yīng)的增強(qiáng)，所以正溫度反饋將使裂紋越來(lái)越嚴(yán)重，最終導(dǎo)致t設(shè)備故障。焊料層中的空隙會(huì)影響溫度的熱循環(huán)，降低器件的散熱性能，也會(huì)促進(jìn)溫度的升高，從而加速模塊的損壞。此外，應(yīng)力和應(yīng)變之間存在滯后。在連續(xù)的溫度循環(huán)過程中，材料的形狀實(shí)時(shí)變化，增加了焊料的熱疲勞。此外，由于工藝問題引入焊料中的空隙會(huì)影響工作過程中的熱循環(huán)，導(dǎo)致局部溫度過高，這也是模塊失效的重要原因。

晶圓與陶瓷裂紋

在IGBT七層結(jié)構(gòu)中，熱膨脹系數(shù)的失配會(huì)給每一層帶來(lái)很大的機(jī)械效應(yīng)。

強(qiáng)調(diào)。在溫差情況下，各層的變形是不同的，同一層材料的不同部位由于溫度分布的不同而導(dǎo)致不同的變形程度，從而不可避免地存在局部應(yīng)力過大的問題，從而導(dǎo)致材料的開裂。