IGBT的封裝失效機理

IGBT的封裝失效機理

IGBT模塊主要由多片混合型IGBT芯片組成，通過鋁線進行電連接。在標準的IGBT封裝中，單個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，通常以使用壽命來表示。半導體器件主要用于實現電流開關，這將導致較大的功率損耗。電力電子系統的熱管理已經成為系統設計中最重要的部分。在電力電子器件的工作過程中，首先要解決的是熱問題，包括穩態溫度、溫度循環、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，不僅提高了封裝密度，而且縮短了芯片間導線的互連長度，從而提高了器件的運行速度。然而，由于這種結構，IGBT的可靠性受到了質疑。不難想象，IGBT模塊封裝層的失效主要發生在鍵合線、芯片焊接、基板焊接等連接處。

在正常功率或溫度循環中，芯片、焊料層、基板、底板和封裝外殼經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，線尺寸的增長與材料長度的比率。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，不同材料的熱應變也不同，互聯層間的接頭會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。研究表明，工作溫度每上升10℃，由溫度引起的失效率就會翻倍。

圖1-3說明了IGBT模塊在運行過程中容易發生疲勞磨損的點。

鋁連接導體的脫離

IGBT中的鋁結合線通常直徑為300-500μm，其化學成分因制造商而異。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。由于長度不成比例，并且稍微依賴于襯底的溫度，所以結線的電流容量將降低。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。在工作過程中，會出現明顯的熱疲勞。隨著工作時間的延長，這種疲勞現象將越來越明顯，焊絲本身的歐姆效應將越來越明顯，最終在焊絲根部產生裂紋。鋁導體的改造

在熱循環試驗中，熱膨脹系數的失配會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隨著周期性測試而線性增加。

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的差異而產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越嚴重，最終導致t設備故障。焊料層中的空隙會影響溫度的熱循環，降低器件的散熱性能，也會促進溫度的升高，從而加速模塊的損壞。此外，應力和應變之間存在滯后。在連續的溫度循環過程中，材料的形狀實時變化，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影響工作過程中的熱循環，導致局部溫度過高，這也是模塊失效的重要原因。

晶圓與陶瓷裂紋

在IGBT七層結構中，熱膨脹系數的失配會給每一層帶來很大的機械效應。

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大的問題，從而導致材料的開裂。