圖：IGBT模塊的結構細節

    由於功（gōng）率循環中，矽芯片的熱機械失配較大，因此功率循環會在矽（guī）芯片的金屬層上引起重要的周期性壓縮應力和拉伸應力。結果，這種應力（lì）可能遠遠超過（guò）彈（dàn）性極限（xiàn），並且它們的變（biàn）鬆可能通過機械過程（chéng）發生，例如通過（guò）擴散蠕變（biàn），晶界滑動或位錯滑行引起的塑性變形等。這可能會導致鋁晶粒（lì）的擠出，也可能（néng）會導致晶粒邊界處的氣（qì）穴效應，也即是空洞的形成（chéng），具體（tǐ）取決於金屬化的質（zhì）地，這導致芯片（piàn）表麵鋁的重新構造，並導致其薄層電阻隨時間增加。這可以通過測量IGBT導通狀態下的壓降來對其進行監視。大的電流幅（fú）度會加速此過程。芯片金屬層的變化逐漸增加了芯片電阻，從而導致額外的損耗（hào）、更高的結溫變化和鍵合線的粘（zhān）附性更（gèng）差，從而加速了失（shī）效的過程。

    與銅材料和矽芯片相比，鋁線具（jù）有相對較高的熱膨脹係數，在高（gāo）額定電流和開（kāi）關操（cāo）作的（de）工作（zuò）條件下（xià），IGBT的引線鍵（jiàn）合（hé）幾乎暴露於由（yóu）矽芯片中的功（gōng）耗（hào）和引（yǐn）線鍵合本身所造成的整（zhěng）個溫度波動。此外，由於集膚效應，整個截麵上的電流密度分布非常不（bú）均勻。通常，引線（xiàn）鍵合的失效主要是由於（yú）在焊盤和引線鍵合之間（jiān）產生（shēng）的剪切（qiē）應力引起（qǐ）的疲勞而導致的（de）。結果，它們逐漸與IGBT芯片斷開，直到它們達到（dào）損壞/開路狀態。可以觀察到兩種現象（xiàng）：焊線根部的裂紋擴展，即Heel Crack；或者焊線（xiàn）的剝離，即（jí）Wire bonding lift-off。對於上一種情況，此問題來自沒有優化的引線鍵合工藝，該工藝會機械地損壞引線鍵合根部，造（zào）成產生裂紋（wén）。在後者中，引線鍵合（hé）會老化，由於材料之間（jiān）較高的熱膨脹係數（Coefficient of Thermal Expansion）的不匹配（pèi）而導致其剝離。這種（zhǒng）破壞始於引（yǐn）線鍵合尾部的裂紋，並通過引線（xiàn）鍵合和芯片上金屬之（zhī）間的界（jiè）麵傳播（bō），直到完全剝（bāo）離為止。可以通過測量接觸電（diàn）阻或電流（liú）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（dǎo）通狀態下的器件（jiàn）壓降（jiàng）來跟蹤（zōng）失效的發展。在IGBT模塊中柔軟的（de）矽樹脂可以吸收這些機械（xiè）振動。由於每個芯片的額定電流>10A的IGBT模塊具有多條並聯（lián）的焊線，因此，失去焊線接觸不會（huì）立即導致器件（jiàn）失效。那些平行的，尚未完全破壞的鍵合線現在必須承載額外的電流，引線鍵合的焊腳將被加熱（rè）得更多。因此，它們的老化過程被進一步（bù）加速。在剩下的後一個鍵合線中，電流密度將會很高，以至於芯片（piàn）的金（jīn）屬層將開始熔化（huà），會產生內部電弧，並破壞芯片。

    IGBT的一個主要失（shī）效機理與焊接層（céng）的熱-機械疲勞有關。關鍵的交（jiāo）界麵是芯片連接陶瓷基板的Die Attach層和陶瓷基板與金屬底板之間的焊接層。在這樣的位（wèi）置，通常可以發現（xiàn）在（zài）兩個界麵上的熱（rè）膨脹係數（Coefficient of Thermal Expansion）失配嚴重、並具有大的（de）溫度擺幅；並且對於陶瓷基板與金屬底板接觸來說，具有大的（de）橫向尺寸。IGBT模塊中用作焊接層的常用材料是（shì）錫銀，銦或（huò）錫鉛合金。它們具（jù）有出色的電性能，並且作為軟焊料，它（tā）們具有（yǒu）良好的流動特性。通常，焊（hàn）接層被視為一個單一的均（jun1）相，但（dàn）事實並非如此，因為它（tā）們的相（xiàng）會隨著時（shí）間而發生變化。例如，當將具有銅金屬鍍層的陶瓷基板與標準鉛錫合金焊接在一起時，主要通過形成（chéng）靠（kào）近銅層的Cu5Sn6合金層相來提供鍵合。在焊接層的部分形成了另外兩（liǎng）個不同的相，一個富錫和一個富鉛。在加速老化測試中，由（yóu）於合金在較高的同源溫度下工作，這些相迅速變粗，從而改變了其熱機械性能；由於銅相比錫鉛相脆得多，因此熱機械疲（pí）勞（láo）裂紋常在富銅合金層間傳播（bō）。由於較大的熱膨脹（zhàng）係（xì）數（Coefficient of Thermal Expansion）失配和（hé）較高的溫度（dù），先在緊接（jiē）在陶瓷基（jī）板下方的合金層附近發（fā）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（chù）的切應力達到大。另外，在陶瓷基板的（de）邊緣處銳角的存在極大地促進了（le）裂（liè）紋的形成。以上的過程，將（jiāng）會導致模塊的熱阻增加，這（zhè）會導致IGBT的芯片過熱，並加快其它失（shī）效的速度，以至於它（tā）們隨後會產生失效。盡管大（dà）的接（jiē）觸麵積是金屬底板和陶（táo）瓷基板背麵金屬化層之間的焊接層，從九十年代末開始，可使用相對堅硬的、並（bìng）具有接近陶瓷（cí）基板的CTE（如AlSiC材料）代替銅作為基板材料，在該區域產生熱-機械應力可以大大減少。

    功率循環測試後，在陶瓷基板邊緣處可以觀察到較大麵積的（de）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（yán）無限製（zhì）的方向隨溫（wēn）度自由膨脹，但（dàn）是，在材料粘結的界麵（miàn）處，它們是粘合的，並且它們的熱-機械（xiè）特性，主要是楊氏模量和熱膨脹係（xì）數將限定器件封裝的形變。因此，對於較高/較低的楊氏模量以及非常不同的（de）熱膨脹係數和（hé）材料厚度，預期將獲得更多的局部的/分散的應變，其接近器件封裝邊緣處的不連續性，終將導致較高（gāo）和局部的應力/較低且分布更廣的應力。因（yīn）此，斷裂（liè）始於外角和邊緣，並向焊接（jiē）材料的中擴散，從而吸收了這種存儲的機械能。當一個IGBT模塊表（biǎo）現出溫度不均勻並（bìng）且存在高溫（wēn）梯度時，焊接層的劣化（huà）從指向達到較高溫度的模塊位置的邊角（jiǎo）開始並（bìng）向外移動。IGBT模塊Die Attach層的疲（pí）勞，大多與鍵合（hé）線的損壞一起出現（xiàn）。整個IGBT模（mó）塊加熱（rè）得越多，焊料連接所受的應（yīng）力就越（yuè）大。焊接疲勞會導（dǎo）致Rth和芯片溫（wēn）度升高，進而會導致更高的損耗，從而導致IGBT中的結溫更高。加速了被測IGBT器件的老化（huà）過程。

SAM顯示的焊（hàn）接（jiē）層分層

作者：王剛
文章選（xuǎn）自（zì）：數字化工業軟件技術期刊
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