IGBT模塊是如何失效的？

IGBT模塊主要由若干混聯(lián)的IGBT芯片構(gòu)成，個芯片之間通過鋁導線實現(xiàn)電氣連接。標準的IGBT封裝中，單個IGBT還會并有續(xù)流二極管，接著在芯片上方灌以大量的硅凝膠，用塑料殼封裝。

1、IGBT模塊結(jié)構(gòu)

IGBT模塊主要由若干混聯(lián)的IGBT芯片構(gòu)成，個芯片之間通過鋁導線實現(xiàn)電氣連接。標準的IGBT封裝中，單個IGBT還會并有續(xù)流二極管，接著在芯片上方灌以大量的硅凝膠，用塑料殼封裝，IGBT單元堆疊結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

從上之下它依次由芯片，DBC（Directed Bonding Copper）以及金屬散熱板（通常選用銅）三部分組成。DBC由三層材料構(gòu)成，上下兩層為金屬層，中間層是絕緣陶瓷層。相比于陶瓷襯底，DBC的性能更勝一籌：它擁有更輕的重量，更好的導熱性能，而且可靠性更好。

2、IGBT的封裝失效機理

功率器件的可靠性是指在規(guī)定條件下，器件完成規(guī)定功能的能力，通常用使用壽命表示。由于半導體器件主要是用來實現(xiàn)電流的切換，會產(chǎn)生較大的功率損耗，因此，電力電子系統(tǒng)的熱管理已成了設(shè)計中的重中之重。在電力電子器件的工作過程中，首先要應(yīng)對的就是熱問題，它包括穩(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問題。 

由于IGBT采取了疊層封裝技術(shù)，該技術(shù)不但提高了封裝密度，同時也縮短了芯片之間導線的互聯(lián)長度，從而提高了器件的運行速率。但也正因為采用了此結(jié)構(gòu)，IGBT的可靠性受到了質(zhì)疑。不難想象，IGBT模塊封裝級的失效主要發(fā)生在結(jié)合線的連接處，芯片焊接處，基片焊接處和基片等位置。

在通常的功率循環(huán)或溫度循環(huán)中，芯片，焊料層，基片，底板和封裝外殼都會經(jīng)歷不同層度的溫度及溫度梯度。熱膨脹系數(shù)(CTE,Coefficient of Thermal Expansion)是材料的一項重要性能指標，指的是在一定溫度范圍內(nèi)溫度每升高1度，線尺寸的增加量與其在0度時的長度的比值。圖1-2是IGBT堆疊結(jié)構(gòu)中常用材料的熱膨脹系數(shù)，由于各自材料的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度變化時不同材料之間的熱應(yīng)變不同，相互連接層之間的接合會產(chǎn)生因熱應(yīng)力疲勞損耗。因此，器件的熱行為與模塊封裝的結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。調(diào)查表明，工作溫度每上升10℃，由溫度引起的失效率增加一倍。

圖1-3標注了IGBT模塊在工作過程中容易發(fā)生疲勞損耗的點，具體有：

鋁接合導線的脫離

IGBT內(nèi)的鋁接合導線的直徑通常為300-500um,他們的化學成分因生產(chǎn)廠商而異. 然而，幾乎在所有情況下，在純鋁中加入千分之一的合金，例如硅鎂或硅鎳合金，鋁的硬度會大大提升因而抗腐蝕性得以控制。由于與長度的不成比例以及輕微依賴襯底的溫度，接合線的電流容量會有所下降。的直流電流受限于導線自身的歐姆熱效應(yīng)帶來的熔化。由于鋁接合線是直接接在芯片或壓力緩沖器上,會承受較大的溫度變化,而IGBT模塊是由不同熱膨脹系數(shù)的材料構(gòu)成,在工作期間,必然會有明顯的熱疲勞.這種疲勞會隨著工作時間的推移,導線自身的歐姆效應(yīng)變得越來越明顯,終在鍵合線根部產(chǎn)生裂痕。

鋁導線的重構(gòu)

在熱循環(huán)測試中,熱膨脹系數(shù)的不匹配會造成鍵合表面周期性的擠壓和拉升作用,而這種作用遠遠超出材料本身的伸縮范圍。在此情況下,壓力會通過不同的方式釋放出去,如擴散蠕動,顆粒滑行,錯位等形式。鋁的重塑會導致接觸面有效面積的減少,從而導致方塊電阻的增加。這也解釋了為什么隨著周期性測試,Vce也呈線性增加的趨勢。 

焊料疲勞與焊料空隙

芯片與襯底之間的焊料層因熱膨脹系數(shù)的不同產(chǎn)生的裂痕會增加導線的接觸電阻,電阻的增加會導致歐姆效應(yīng)的增強,如此溫度正反饋會使裂痕越演越烈，終導致器件的失效。焊料層內(nèi)的空洞會影響溫度熱循環(huán),器件的散熱性能降低,這也會促進溫度的上升，從而加快模塊的損壞。并且，應(yīng)力與應(yīng)變之間存在著滯回現(xiàn)象，在不斷地溫度循環(huán)當中，材料的形狀實時地發(fā)生改變，這又增加了焊錫的熱疲勞。此外，應(yīng)工藝問題在焊錫中引入的空洞會影響期間在工作過程中的熱循環(huán)，造成局部溫度過高，這也是模塊失效的一個重要原因。 

晶圓及陶瓷裂痕

在IGBT七層結(jié)構(gòu)中，因熱膨脹系數(shù)的不匹配會給各層帶來非常大的機械應(yīng)力。在溫度差異的情況下，各層材料的形變有所不同，并且同層材料的不同部分也會因為溫度分布的差異導致形變程度的不同，這樣就不可避免地存在局部應(yīng)力過大的問題，從而導致材料的開裂。