圖：IGBT模塊的結構細節

    由于功率循環中，硅芯片的熱機械失配較大，因此功率循環會在硅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，這種應力可能遠遠超過彈性極限，并且它們的變松可能通過機械過程發生，例如通過擴散蠕變，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的擠出，也可能會導致晶粒邊界處的氣穴效應，也即是空洞的形成，具體取決于金屬化的質地，這導致芯片表面鋁的重新構造，并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、更高的結溫變化和鍵合線的粘附性更差，從而加速了失效的過程。

    與銅材料和硅芯片相比，鋁線具有相對較高的熱膨脹系數，在高額定電流和開關操作的工作條件下，IGBT的引線鍵合幾乎暴露于由硅芯片中的功耗和引線鍵合本身所造成的整個溫度波動。此外，由于集膚效應，整個截面上的電流密度分布非常不均勻。通常，引線鍵合的失效主要是由于在焊盤和引線鍵合之間產生的剪切應力引起的疲勞而導致的。結果，它們逐漸與IGBT芯片斷開，直到它們達到損壞/開路狀態。可以觀察到兩種現象：焊線根部的裂紋擴展，即Heel Crack；或者焊線的剝離，即Wire bonding lift-off。對于上一種情況，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，造成產生裂紋。在后者中，引線鍵合會老化，由于材料之間較高的熱膨脹系數（Coefficient of Thermal Expansion）的不匹配而導致其剝離。這種破壞始于引線鍵合尾部的裂紋，并通過引線鍵合和芯片上金屬之間的界面傳播，直到完全剝離為止。可以通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下的器件壓降來跟蹤失效的發展。在IGBT模塊中柔軟的硅樹脂可以吸收這些機械振動。由于每個芯片的額定電流>10A的IGBT模塊具有多條并聯的焊線，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得更多。因此，它們的老化過程被進一步加速。在剩下的后一個鍵合線中，電流密度將會很高，以至于芯片的金屬層將開始熔化，會產生內部電弧，并破壞芯片。

    IGBT的一個主要失效機理與焊接層的熱-機械疲勞有關。關鍵的交界面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。在這樣的位置，通常可以發現在兩個界面上的熱膨脹系數（Coefficient of Thermal Expansion）失配嚴重、并具有大的溫度擺幅；并且對于陶瓷基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，并且作為軟焊料，它們具有良好的流動特性。通常，焊接層被視為一個單一的均相，但事實并非如此，因為它們的相會隨著時間而發生變化。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，主要通過形成靠近銅層的Cu5Sn6合金層相來提供鍵合。在焊接層的部分形成了另外兩個不同的相，一個富錫和一個富鉛。在加速老化測試中，由于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；由于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。由于較大的熱膨脹系數（Coefficient of Thermal Expansion）失配和較高的溫度，先在緊接在陶瓷基板下方的合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，在陶瓷基板的邊緣處銳角的存在極大地促進了裂紋的形成。以上的過程，將會導致模塊的熱阻增加，這會導致IGBT的芯片過熱，并加快其它失效的速度，以至于它們隨后會產生失效。盡管大的接觸面積是金屬底板和陶瓷基板背面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、并具有接近陶瓷基板的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。

    功率循環測試后，在陶瓷基板邊緣處可以觀察到較大面積的分層。邊緣處的不連續導致該位置，特別是邊角處的應力峰值。這是由于這樣的事實：粘結的材料可以沿無限制的方向隨溫度自由膨脹，但是，在材料粘結的界面處，它們是粘合的，并且它們的熱-機械特性，主要是楊氏模量和熱膨脹系數將限定器件封裝的形變。因此，對于較高/較低的楊氏模量以及非常不同的熱膨脹系數和材料厚度，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，終將導致較高和局部的應力/較低且分布更廣的應力。因此，斷裂始于外角和邊緣，并向焊接材料的中擴散，從而吸收了這種存儲的機械能。當一個IGBT模塊表現出溫度不均勻并且存在高溫梯度時，焊接層的劣化從指向達到較高溫度的模塊位置的邊角開始并向外移動。IGBT模塊Die Attach層的疲勞，大多與鍵合線的損壞一起出現。整個IGBT模塊加熱得越多，焊料連接所受的應力就越大。焊接疲勞會導致Rth和芯片溫度升高，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器件的老化過程。

SAM顯示的焊接層分層

作者：王剛
文章選自：數字化工業軟件技術期刊
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