功率模塊是實(shí)現(xiàn)綠色能源轉(zhuǎn)換的重要部件，絕緣柵門極晶體管( Insulated Gate Bipolar Translator，IGBT) 作為使用頻率[敏感詞]的電源轉(zhuǎn)換芯片，是出現(xiàn)故障頻率[敏感詞]的器件，其失效機(jī)理及檢測方式被大量研究。可靠的封裝為芯片工作提供穩(wěn)定的電氣連接、良好的絕緣性能和充分的抗干擾能力，是IGBT功率模塊可靠性的重要組成部分。現(xiàn)在被主流使用的封裝形式有焊接型和壓接型封裝。兩種封裝結(jié)構(gòu)在功率密度、串并聯(lián)能力、制造費(fèi)用、封裝可靠性和散熱能力等方面有所不同。由于壓接型封裝具有雙面冷卻和失效自短路效應(yīng)，其在散熱、可靠性及串聯(lián)能力上優(yōu)于焊接型封裝，因此被廣泛用于高功率密度場合，如高壓電網(wǎng)和高功率機(jī)械設(shè)備，但封裝復(fù)雜笨重。焊接型封裝結(jié)構(gòu)因其制造工藝簡單、成本低和并聯(lián)能力強(qiáng)被廣泛使用在中低功率密度場合，如消費(fèi)電子、汽車電子。兩種封裝結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了不同的失效機(jī)理，但其本質(zhì)多是IGBT 芯片工作產(chǎn)生的熱量未即時耗散，引起溫度梯度，最終導(dǎo)致的封裝材料疲勞致使失效。

    一、焊接型 IGBT 功率模塊封裝結(jié)構(gòu)

    自 1975 年，焊接型 IGBT 功率模塊封裝被提出，便被廣泛使用。其中，直接覆銅陶瓷板( Direct Bonded Copper，DBC)由上銅層、陶瓷板和下銅層組成，其一方面實(shí)現(xiàn)對IGBT 芯片和續(xù)流二極管的固定和電氣連接，另一方面形成了模塊散熱的主要通道。DBC 與芯片和銅基板的連接依靠焊料完成，芯片之間及與外部端子之間的連接依靠超聲鍵合引線完成，此外為減少外部濕氣、灰塵和污染對模塊的影響，整個模塊被有機(jī)硅凝膠灌封。

    IGBT 功率模塊工作過程中存在開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，這些損耗以熱的形式耗散，使得在 IGBT 功率模塊封裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度梯度。并且結(jié)構(gòu)層不同材料的熱膨脹系數(shù)(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)相差較大，因此產(chǎn)生循環(huán)往復(fù)的熱應(yīng)力，使材料疲勞，最終導(dǎo)致IGBT功率模塊封裝失效。焊接型 IGBT 功率模塊主要的失效形式表現(xiàn)為鍵合線失效和焊層失效。在實(shí)際應(yīng)用中，由于單芯片能夠承受的功率較小，通常將多個芯片集聯(lián)在一起形成功能模塊，或?qū)Ⅱ?qū)動進(jìn)行集成形成“智能功率模塊”。

    二、 焊接 IGBT 功率模塊封裝失效機(jī)理

    (1) 鍵合線失效

    一般使用 Al 或 Cu 鍵合線將端子與芯片電極超聲鍵合實(shí)現(xiàn)與外部的電氣連接，兩種材料均與 Si 及Si 上絕緣材料，如 SiO2 的 CTE 差別較大。當(dāng)模塊工作時，IGBT 芯片功耗以及鍵合線的焦耳熱會使鍵合線溫度升高，并在接觸點(diǎn)和鍵合線上產(chǎn)生溫度梯度，形成剪切應(yīng)力。長時間處于開通與關(guān)斷循環(huán)的工作狀態(tài)，產(chǎn)生應(yīng)力及疲勞形變累積，會導(dǎo)致接觸點(diǎn)產(chǎn)生裂紋，增大接觸熱阻，焦耳熱增多，溫度梯度加大最終導(dǎo)致鍵合線受損加劇，形成正向反饋循環(huán)，最終導(dǎo)致鍵合線脫落或斷裂。

研究表明，這些失效是由材料 CTE 不匹配導(dǎo)致的結(jié)果。鍵合線斷裂的位置出現(xiàn)在其根部，這種根部斷裂是鍵合線失效的主要表現(xiàn)。一些研究指出，可以通過優(yōu)化鍵合線的形狀來改善其可靠性。具體而言，鍵合線高度越高、鍵合線距離越遠(yuǎn)，鍵合線所受應(yīng)力水平越低，可靠性越高。

    （2) 焊層失效

    上述的溫度梯度也存在于焊層與相鄰的組件中，因此會導(dǎo)致剪切應(yīng)力產(chǎn)生。焊層失效的主要表現(xiàn)形式是: 裂紋、空洞與分層。在開通與關(guān)斷循環(huán)往復(fù)中，作為彈塑性材料的焊層會出現(xiàn)非彈性應(yīng)變，最終導(dǎo)致焊層產(chǎn)生裂紋，裂紋發(fā)展，使得焊料分層。空洞是由焊料的晶界空洞和回流焊工藝所造成的，是不可避免的現(xiàn)象，隨著功率循環(huán)，焊層受到熱應(yīng)力，空洞也會增長。焊層出現(xiàn)失效情況后，會進(jìn)一步使得熱阻增加，導(dǎo)致溫度梯度增大形成正向反饋，最終導(dǎo)致焊層徹底失效。

    (3) 電遷移、電化學(xué)腐蝕和金屬化重構(gòu)

    IGBT 功率模塊芯片頂部存在一層 Al 金屬薄膜用以與外部進(jìn)行連接。在電流和溫度梯度的作用下，Al 金屬離子會沿著導(dǎo)體運(yùn)動，如沿著鍵合線運(yùn)動，產(chǎn)生凈質(zhì)量輸運(yùn)，導(dǎo)致薄膜上出現(xiàn)空洞、小丘或晶須。

    隨著器件的老化，有機(jī)硅凝膠的氣密性下降，外部的物質(zhì)會與 Al 金屬薄膜接觸，使其發(fā)生電化學(xué)腐蝕。常見的有 Al 的自鈍化反應(yīng)、單一陽極腐蝕電池反應(yīng)以及與沾污的離子發(fā)生反應(yīng)。

    金屬化重構(gòu)是由于 Al 與芯片上 SiO2 的 CTE 值相差兩個數(shù)量級，導(dǎo)致界面處產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力，使得Al 原子發(fā)生擴(kuò)散，造成小丘、晶須和空洞，最后產(chǎn)生塑性形變，引發(fā)裂紋。

    以上所述三種因素導(dǎo)致的 Al 薄膜失效方式會加劇鍵合點(diǎn)處的疲勞情況，最終導(dǎo)致鍵合線脫落或電場擊穿失效。