【導(dǎo)讀】IGBT模塊主要由若干混聯(lián)的IGBT芯片構(gòu)成,個(gè)芯片之間通過(guò)鋁導(dǎo)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)電氣連接。標(biāo)準(zhǔn)的IGBT封裝中,單個(gè)IGBT還會(huì)并有續(xù)流二極管,接著在芯片上方灌以大量的硅凝膠,用塑料殼封裝。
1、IGBT模塊結(jié)構(gòu)
IGBT模塊主要由若干混聯(lián)的IGBT芯片構(gòu)成,個(gè)芯片之間通過(guò)鋁導(dǎo)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)電氣連接。標(biāo)準(zhǔn)的IGBT封裝中,單個(gè)IGBT還會(huì)并有續(xù)流二極管,接著在芯片上方灌以大量的硅凝膠,用塑料殼封裝,IGBT單元堆疊結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。
從上之下它依次由芯片,DBC(Directed Bonding Copper)以及金屬散熱板(通常選用銅)三部分組成。DBC由三層材料構(gòu)成,上下兩層為金屬層,中間層是絕緣陶瓷層。相比于陶瓷襯底,DBC的性能更勝一籌:它擁有更輕的重量,更好的導(dǎo)熱性能,而且可靠性更好。
2、IGBT的封裝失效機(jī)理
功率器件的可靠性是指在規(guī)定條件下,器件完成規(guī)定功能的能力,通常用使用壽命表示。由于半導(dǎo)體器件主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)電流的切換,會(huì)產(chǎn)生較大的功率損耗,因此,電力電子系統(tǒng)的熱管理已成了設(shè)計(jì)中的重中之重。在電力電子器件的工作過(guò)程中,首先要應(yīng)對(duì)的就是熱問(wèn)題,它包括穩(wěn)態(tài)溫度,溫度循環(huán),溫度梯度,以及封裝材料在工作溫度下的匹配問(wèn)題。
由于IGBT采取了疊層封裝技術(shù),該技術(shù)不但提高了封裝密度,同時(shí)也縮短了芯片之間導(dǎo)線(xiàn)的互聯(lián)長(zhǎng)度,從而提高了器件的運(yùn)行速率。但也正因?yàn)椴捎昧舜私Y(jié)構(gòu),IGBT的可靠性受到了質(zhì)疑。不難想象,IGBT模塊封裝級(jí)的失效主要發(fā)生在結(jié)合線(xiàn)的連接處,芯片焊接處,基片焊接處和基片等位置。
在通常的功率循環(huán)或溫度循環(huán)中,芯片,焊料層,基片,底板和封裝外殼都會(huì)經(jīng)歷不同層度的溫度及溫度梯度。熱膨脹系數(shù)(CTE,Coefficient of Thermal Expansion)是材料的一項(xiàng)重要性能指標(biāo),指的是在一定溫度范圍內(nèi)溫度每升高1度,線(xiàn)尺寸的增加量與其在0度時(shí)的長(zhǎng)度的比值。圖1-2是IGBT堆疊結(jié)構(gòu)中常用材料的熱膨脹系數(shù),由于各自材料的熱膨脹系數(shù)不同,在溫度變化時(shí)不同材料之間的熱應(yīng)變不同,相互連接層之間的接合會(huì)產(chǎn)生因熱應(yīng)力疲勞損耗。因此,器件的熱行為與模塊封裝的結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。調(diào)查表明,工作溫度每上升10℃,由溫度引起的失效率增加一倍。
圖1-3標(biāo)注了IGBT模塊在工作過(guò)程中容易發(fā)生疲勞損耗的點(diǎn),具體有:
鋁接合導(dǎo)線(xiàn)的脫離
IGBT內(nèi)的鋁接合導(dǎo)線(xiàn)的直徑通常為300-500um,他們的化學(xué)成分因生產(chǎn)廠(chǎng)商而異. 然而,幾乎在所有情況下,在純鋁中加入千分之一的合金,例如硅鎂或硅鎳合金,鋁的硬度會(huì)大大提升因而抗腐蝕性得以控制。由于與長(zhǎng)度的不成比例以及輕微依賴(lài)襯底的溫度,接合線(xiàn)的電流容量會(huì)有所下降。的直流電流受限于導(dǎo)線(xiàn)自身的歐姆熱效應(yīng)帶來(lái)的熔化。由于鋁接合線(xiàn)是直接接在芯片或壓力緩沖器上,會(huì)承受較大的溫度變化,而IGBT模塊是由不同熱膨脹系數(shù)的材料構(gòu)成,在工作期間,必然會(huì)有明顯的熱疲勞.這種疲勞會(huì)隨著工作時(shí)間的推移,導(dǎo)線(xiàn)自身的歐姆效應(yīng)變得越來(lái)越明顯,終在鍵合線(xiàn)根部產(chǎn)生裂痕。
鋁導(dǎo)線(xiàn)的重構(gòu)
在熱循環(huán)測(cè)試中,熱膨脹系數(shù)的不匹配會(huì)造成鍵合表面周期性的擠壓和拉升作用,而這種作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出材料本身的伸縮范圍。在此情況下,壓力會(huì)通過(guò)不同的方式釋放出去,如擴(kuò)散蠕動(dòng),顆?;?錯(cuò)位等形式。鋁的重塑會(huì)導(dǎo)致接觸面有效面積的減少,從而導(dǎo)致方塊電阻的增加。這也解釋了為什么隨著周期性測(cè)試,Vce也呈線(xiàn)性增加的趨勢(shì)。
焊料疲勞與焊料空隙
芯片與襯底之間的焊料層因熱膨脹系數(shù)的不同產(chǎn)生的裂痕會(huì)增加導(dǎo)線(xiàn)的接觸電阻,電阻的增加會(huì)導(dǎo)致歐姆效應(yīng)的增強(qiáng),如此溫度正反饋會(huì)使裂痕越演越烈,終導(dǎo)致器件的失效。焊料層內(nèi)的空洞會(huì)影響溫度熱循環(huán),器件的散熱性能降低,這也會(huì)促進(jìn)溫度的上升,從而加快模塊的損壞。并且,應(yīng)力與應(yīng)變之間存在著滯回現(xiàn)象,在不斷地溫度循環(huán)當(dāng)中,材料的形狀實(shí)時(shí)地發(fā)生改變,這又增加了焊錫的熱疲勞。此外,應(yīng)工藝問(wèn)題在焊錫中引入的空洞會(huì)影響期間在工作過(guò)程中的熱循環(huán),造成局部溫度過(guò)高,這也是模塊失效的一個(gè)重要原因。
晶圓及陶瓷裂痕
在IGBT七層結(jié)構(gòu)中,因熱膨脹系數(shù)的不匹配會(huì)給各層帶來(lái)非常大的機(jī)械應(yīng)力。在溫度差異的情況下,各層材料的形變有所不同,并且同層材料的不同部分也會(huì)因?yàn)闇囟确植嫉牟町悓?dǎo)致形變程度的不同,這樣就不可避免地存在局部應(yīng)力過(guò)大的問(wèn)題,從而導(dǎo)致材料的開(kāi)裂。
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