IGBT的封裝失效機理

IGBT模塊主要由多片混合型IGBT芯片組成，通過(guò)鋁線(xiàn)進(jìn)行電連接。在標準的IGBT封裝中，單個(gè)IGBT還將具有續流二極管，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單元的堆疊結構如圖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、更好的導熱性和更好的可靠性。

2 IGBT封裝失效機制

電力設備的可靠性是指設備在特定條件下執行特定功能的能力，通常以使用壽命來(lái)表示。半導體器件主要用于實(shí)現電流開(kāi)關(guān)，這將導致較大的功率損耗。電力電子系統的熱管理已經(jīng)成為系統設計中最重要的部分。在電力電子器件的工作過(guò)程中，首先要解決的是熱問(wèn)題，包括穩態(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線(xiàn)的互連長(cháng)度，從而提高了器件的運行速度。然而，由于這種結構，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(xiàn)、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（CTE）是材料的一項重要性能指標。它是指在一定的溫度范圍內，每當溫度上升0°時(shí)，線(xiàn)尺寸的增長(cháng)與材料長(cháng)度的比率。圖1-2是IGBT堆疊結構中常用的材料的熱膨脹系數。由于各材料的熱膨脹系數不同，當溫度變化時(shí)，不同材料的熱應變也不同，互聯(lián)層間的接頭會(huì )因熱應力而導致疲勞損失。因此，器件的熱行為與模塊封裝的結構密切相關(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模塊在運行過(guò)程中容易發(fā)生疲勞磨損的點(diǎn)。

鋁連接導體的脫離

IGBT中的鋁結合線(xiàn)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(guò)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(cháng)度不成比例，并且稍微依賴(lài)于襯底的溫度，所以結線(xiàn)的電流容量將降低。最大直流電流由導體本身的歐姆熱效應引起的熔化所限制。由于鋁鍵合線(xiàn)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的材料組成。在工作過(guò)程中，會(huì )出現明顯的熱疲勞。隨著(zhù)工作時(shí)間的延長(cháng)，這種疲勞現象將越來(lái)越明顯，焊絲本身的歐姆效應將越來(lái)越明顯，最終在焊絲根部產(chǎn)生裂紋。鋁導體的改造

在熱循環(huán)試驗中，熱膨脹系數的失配會(huì )引起粘結面的周期性擠出和拉拔，這遠遠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，如擴散蠕變、顆?；?、位錯等。鋁的重塑導致接觸表面有效面積的減小，從而導致阻擋電阻的增加。這也解釋了為什么Vce隨著(zhù)周期性測試而線(xiàn)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的差異而產(chǎn)生的裂紋將增加導體的接觸電阻，電阻的增加將導致歐姆效應的增強，所以正溫度反饋將使裂紋越來(lái)越嚴重，最終導致t設備故障。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，應力和應變之間存在滯后。在連續的溫度循環(huán)過(guò)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(wèn)題引入焊料中的空隙會(huì )影響工作過(guò)程中的熱循環(huán)，導致局部溫度過(guò)高，這也是模塊失效的重要原因。

晶圓與陶瓷裂紋

在IGBT七層結構中，熱膨脹系數的失配會(huì )給每一層帶來(lái)很大的機械效應。

強調。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致不同的變形程度，從而不可避免地存在局部應力過(guò)大的問(wèn)題，從而導致材料的開(kāi)裂。