IGBT的封装失效机理

IGBT的封装失效机理

IGBT模块主要由多片混合型IGBT芯片组成，通过铝线进行电连接。在标准的IGBT封装中，单个IGBT还将具有续流二极管，然后大量硅凝胶将被浇注到芯片之上。最后，它将被包装在塑料外壳中。

IGBT单元的堆叠结构如图1-1所示。

从上到下，它由三部分组成：芯片，DBC（定向键合铜）和金属散热器（通常是铜）。DBC由三层材料组成，上下层为金属层，中间层为绝缘陶瓷层。与陶瓷基片相比，DBC具有更轻的重量、更好的导热性和更好的可靠性。

2 IGBT封装失效机制

电力设备的可靠性是指设备在特定条件下执行特定功能的能力，通常以使用寿命来表示。半导体器件主要用于实现电流开关，这将导致较大的功率损耗。电力电子系统的热管理已经成为系统设计中最重要的部分。在电力电子器件的工作过程中，首先要解决的是热问题，包括稳态温度、温度循环、温度梯度以及封装材料在工作温度下的匹配。

由于IGBT采用层压封装技术，不仅提高了封装密度，而且缩短了芯片间导线的互连长度，从而提高了器件的运行速度。然而，由于这种结构，IGBT的可靠性受到了质疑。不难想象，IGBT模块封装层的失效主要发生在键合线、芯片焊接、基板焊接等连接处。

在正常功率或温度循环中，芯片、焊料层、基板、底板和封装外壳经历不同层的温度梯度。热膨胀系数（CTE）是材料的一项重要性能指标。它是指在一定的温度范围内，每当温度上升0°时，线尺寸的增长与材料长度的比率。图1-2是IGBT堆叠结构中常用的材料的热膨胀系数。由于各材料的热膨胀系数不同，当温度变化时，不同材料的热应变也不同，互联层间的接头会因热应力而导致疲劳损失。因此，器件的热行为与模块封装的结构密切相关。研究表明，工作温度每上升10℃，由温度引起的失效率就会翻倍。

图1-3说明了IGBT模块在运行过程中容易发生疲劳磨损的点。

铝连接导体的脱离

IGBT中的铝结合线通常直径为300-500μm，其化学成分因制造商而异。然而，在几乎所有情况下，通过在纯铝中添加千分之一的合金，例如硅镁或硅镍合金，可以大大提高铝的硬度，并且可以控制耐腐蚀性。由于长度不成比例，并且稍微依赖于衬底的温度，所以结线的电流容量将降低。最大直流电流由导体本身的欧姆热效应引起的熔化所限制。由于铝键合线直接与芯片或压力缓冲器连接，因此能够承受较大的温度变化，IGBT模块由具有不同热膨胀系数的材料组成。在工作过程中，会出现明显的热疲劳。随着工作时间的延长，这种疲劳现象将越来越明显，焊丝本身的欧姆效应将越来越明显，最终在焊丝根部产生裂纹。铝导体的改造

在热循环试验中，热膨胀系数的失配会引起粘结面的周期性挤出和拉拔，这远远超出了材料本身的膨胀范围。在这种情况下，压力会以不同的方式释放，如扩散蠕变、颗粒滑移、位错等。铝的重塑导致接触表面有效面积的减小，从而导致阻挡电阻的增加。这也解释了为什么Vce随着周期性测试而线性增加。

焊料疲劳和焊料空隙

芯片与基板之间的焊料层由于热膨胀系数的差异而产生的裂纹将增加导体的接触电阻，电阻的增加将导致欧姆效应的增强，所以正温度反馈将使裂纹越来越严重，最终导致t设备故障。焊料层中的空隙会影响温度的热循环，降低器件的散热性能，也会促进温度的升高，从而加速模块的损坏。此外，应力和应变之间存在滞后。在连续的温度循环过程中，材料的形状实时变化，增加了焊料的热疲劳。此外，由于工艺问题引入焊料中的空隙会影响工作过程中的热循环，导致局部温度过高，这也是模块失效的重要原因。

晶圆与陶瓷裂纹

在IGBT七层结构中，热膨胀系数的失配会给每一层带来很大的机械效应。

强调。在温差情况下，各层的变形是不同的，同一层材料的不同部位由于温度分布的不同而导致不同的变形程度，从而不可避免地存在局部应力过大的问题，从而导致材料的开裂。