一文讀懂IGBT封裝失效的機理

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(dǎo)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，最后用塑料殼封裝，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(dǎo)熱性能，而且可靠性更好。

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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線的脫離

IGBT內(nèi)的鋁接合導(dǎo)線的直徑通常為300-500um，他們的化學(xué)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。最大的直流電流受限于導(dǎo)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(dǎo)線自身的歐姆效應(yīng)變得越來越明顯，最終在鍵合線根部產(chǎn)生裂痕。

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(dǎo)致接觸面有效面積的減少，從而導(dǎo)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(dǎo)線的接觸電阻，電阻的增加會導(dǎo)致歐姆效應(yīng)的增強，如此溫度正反饋會使裂痕越演越烈，最終導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)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(dǎo)致材料的開裂。