圖（tú）：IGBT模塊的結構（gòu）細節

    由於功率循環中（zhōng），矽芯片的熱機（jī）械失配較大，因此功率循（xún）環會在（zài）矽芯片的金屬層上引起重要的周（zhōu）期性壓縮應力和拉伸應力。結果，這種應力可能遠遠超過彈性極限，並且它們的變（biàn）鬆可能通過機械過程發生，例如通過擴散蠕變，晶（jīng）界滑動或位錯滑行引起的塑（sù）性變形（xíng）等。這可能會導致鋁晶（jīng）粒的擠出，也可能會導致晶粒邊界處的氣穴效（xiào）應，也即是空洞的形成，具體取決於金屬化的（de）質地（dì），這（zhè）導致芯片表麵鋁的重新構造，並導致其薄層（céng）電阻隨時間增（zēng）加。這可（kě）以通過測量（liàng）IGBT導通狀態下的壓降來對其進行監視。大的電流幅度會加速此過程（chéng）。芯片（piàn）金屬層的變化逐（zhú）漸增（zēng）加了芯（xīn）片電阻，從而導致額外的損耗、更高（gāo）的（de）結（jié）溫變化和鍵合線的粘附性更差，從而加速了失效的（de）過程。

    與銅材料和矽芯片相比，鋁線具有相對較高的熱（rè）膨脹係數，在高額定電流和開關（guān）操（cāo）作的（de）工作（zuò）條（tiáo）件下，IGBT的引線鍵合幾乎暴露於由矽芯片中的功（gōng）耗（hào）和引線鍵合本身所（suǒ）造成（chéng）的整個溫度波動。此（cǐ）外，由於集膚效應，整個截麵（miàn）上的電流密（mì）度分布非常不均勻。通常，引線（xiàn）鍵合的失效主要是由於在焊（hàn）盤和引線鍵合之間（jiān）產生的剪切應力引起的疲勞而導致的（de）。結果，它們（men）逐漸（jiàn）與IGBT芯片斷開，直到它們達到（dào）損壞/開路狀態。可以觀察到兩（liǎng）種現象（xiàng）：焊線根部的裂紋（wén）擴展，即Heel Crack；或者焊線的剝離，即Wire bonding lift-off。對於上一種情（qíng）況，此問題來自沒有優化的引（yǐn）線鍵合工藝（yì），該工藝會機（jī）械地損壞引線鍵合根部，造（zào）成產生裂紋。在後者中，引線鍵（jiàn）合會老化（huà），由（yóu）於材料之間較高的熱（rè）膨脹係數（Coefficient of Thermal Expansion）的（de）不匹配而導致（zhì）其（qí）剝離。這種破壞始於引線鍵合（hé）尾部的裂紋，並通過引線鍵合（hé）和芯片上金屬之間的界麵傳（chuán）播，直到完（wán）全剝離為止。可以通（tōng）過測量接觸電阻或電流內部分布的變化從外部檢測失效的發展，從而可以通過監測導通狀態（tài）下的器件（jiàn）壓降來（lái）跟蹤失效的發展。在IGBT模塊中（zhōng）柔軟的矽樹脂可以吸收這些機械振動。由於每個芯片的額定電（diàn）流>10A的IGBT模塊具有多條並聯的焊線，因此，失去焊線接觸不會立即導致器件失效。那些平行（háng）的，尚未（wèi）完全破壞的鍵合（hé）線現在必須承載額外的電流，引線鍵合的焊腳將被加熱得更多。因此，它們的（de）老化過程被進一步加速。在剩下的後一個鍵合線中，電流密度將會很（hěn）高，以至於芯片的金屬層將開始熔（róng）化，會產生內部電弧，並破壞芯片（piàn）。

    IGBT的一個（gè）主要失效機理與焊接層（céng）的熱-機械疲勞有關。關鍵的交界麵是芯片連接陶瓷基板的Die Attach層和陶瓷基板與（yǔ）金屬底（dǐ）板之間的焊接層。在這樣的位（wèi）置，通常（cháng）可以發現（xiàn）在兩（liǎng）個界麵上的（de）熱膨脹係數（Coefficient of Thermal Expansion）失配嚴重、並具有大的溫度擺幅；並且對於陶瓷基（jī）板與金屬底板接觸來說，具有大的橫向尺寸。IGBT模塊中用作焊接層的常用材料是錫銀，銦或錫鉛合金。它們具有出色的電性能，並且作為軟焊料，它們具有良好的（de）流動特（tè）性。通常（cháng），焊接層被視為一個單（dān）一的均相，但事實並（bìng）非如此，因為（wéi）它們的相會隨著時間而發生變化。例如，當將具有（yǒu）銅金屬鍍（dù）層的陶瓷基板與標準鉛錫合金焊接（jiē）在一起時（shí），主要通過形成靠近銅層的（de）Cu5Sn6合金層相來提供鍵（jiàn）合。在焊接層的部分形成了（le）另外兩個不同的相，一個富錫和（hé）一個富鉛。在加速老化（huà）測（cè）試中，由（yóu）於合金在較（jiào）高的同源溫度下工作，這些相迅速變粗（cū），從而改變了其熱（rè）機械性（xìng）能；由於銅相比錫鉛相脆得多，因此熱機械疲勞裂紋常在富銅合金層間傳播。由於較大的熱膨脹係數（Coefficient of Thermal Expansion）失配和較高的溫（wēn）度，先在緊接在（zài）陶瓷基（jī）板（bǎn）下方的合（hé）金層附近發現疲勞裂紋。金相學研究表明，裂紋在焊接層的邊界處開始，該處的切應力達到大。另外，在陶瓷基板（bǎn）的邊緣處銳角的（de）存在極大地促進了裂紋（wén）的形成。以上的過程，將會導致模塊的熱（rè）阻增（zēng）加（jiā），這會導致IGBT的芯片過熱，並加（jiā）快其它（tā）失效的速度，以至於它們（men）隨後會產生失效。盡管大的接觸麵積是金屬底板和陶瓷基板背麵金屬化層之間的焊接層（céng），從九十年代末開始，可使用相對堅硬的、並具有接近（jìn）陶瓷基（jī）板的CTE（如AlSiC材料）代替銅作為（wéi）基板材料，在該區域產生熱-機械應力可以（yǐ）大大減少。

    功率循環測試後（hòu），在陶瓷（cí）基板邊緣處可以觀（guān）察到較大麵積的分層。邊緣處的不連續導致該位置，特別是邊角處的應力峰值。這是由於這樣的事實：粘結的材料可以沿無限製（zhì）的方（fāng）向隨溫（wēn）度自（zì）由膨脹，但是，在材料粘結的界麵處，它（tā）們是粘合的，並且它們的熱-機械特性，主要是楊氏模量和熱膨脹係數將限定器件封裝的形變。因此（cǐ），對於較高/較低的楊氏模量（liàng）以（yǐ）及非常不同的熱膨脹係數和材料厚度，預（yù）期將獲得更多的局部的/分散的應變，其接近器件封裝邊緣（yuán）處的不連續性，終將導致（zhì）較高和局部的應力/較低且分（fèn）布更廣的應力。因此，斷裂（liè）始於外角和邊緣（yuán），並向焊接材料的中擴散，從而吸收了這種存儲的機（jī）械能。當一個（gè）IGBT模塊表現出溫度不均勻並且存在（zài）高溫梯度時，焊（hàn）接（jiē）層（céng）的劣化從指向達到較高溫度的模塊位置的邊角開始並向外移動。IGBT模塊Die Attach層的疲勞，大多（duō）與鍵合線的損壞一起（qǐ）出現。整個IGBT模塊加熱得（dé）越（yuè）多，焊料連接所受的應力就越大。焊（hàn）接疲勞會導致Rth和（hé）芯片（piàn）溫度升高，進而會導致更高的損耗（hào），從而導致IGBT中的（de）結溫更高。加速了被測IGBT器件的老化過程。

SAM顯示的焊接（jiē）層分層

作者（zhě）：王剛（gāng）
文章選自：數字化工業軟（ruǎn）件技術期刊
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