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為了探究功率循環試驗中結溫條件對絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）器件失效模式 的影響及其失效機理，以理論分析為出發點，通過大量功率循環試驗進行對比驗證，基于瞬 態熱阻抗曲線建立了準確的三維有限元模型，并仿真分析了相關失效機理。仿真及試驗結果 表明，鍵合線失效只受結溫波動的影響；焊料老化受結溫波動和最大結溫的影響。增加結溫 波動會增加鍵合線、焊料所受應力，而提高最大結溫會影響焊料的材料特性，加速其蠕變過 程。研究成果解決了解析壽命模型難以表征失效機理的問題，并為失效模式的分離提供新的研究思路。
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0 引言
? ? 以絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）為代表的功率器件已全面應用于工業、軌道交通、新能源發電、 電動汽車等領域。寬禁帶器件如 SiC 和 GaN 器件近 些年得到重點關注并迅速發展，可靠性成為研究的 重點。功率器件的封裝可靠性直接決定了整個變流 器的可靠性。因此，為了提高系統的可靠性，減少運行設備的維修成本，對實際工況下的器件進行壽 命預測具有重要的意義。通常方法是在功率循環試 驗中較高的結溫條件下建立器件的解析壽命模型， 然后外推得到實際低結溫工況條件下的壽命，但外 推的前提是不同試驗條件下器件的失效模式和機理 不能發生改變，但現有解析壽命模型無法區分器 件的失效模式和失效機理。因此在功率循環試驗下， 明確影響器件失效模式的試驗條件因素對于驗證外 推等效性具有推動作用。
功率循環加速老化試驗中，IGBT 器件失效模式 主要為鍵合線失效或焊料老化，失效模式可能存在 多個影響因素，如封裝材料、器件結構以及試驗條 件等。但對于特定封裝的器件，試驗條件是影響失 效模式的唯一因素，也是決定高加速條件下壽命能 否與實際工況進行等效的關鍵。目前發現影響失效 模式的試驗因素有結溫條件(結溫波動和最大結溫) 和開通時間。陳杰等人研究發現，開通時間增加 時，高壓大功率 IGBT 模塊的失效點向底部偏移， 從鍵合線失效變為焊料老化，并且通過仿真揭示了 失效模式的轉變與模塊內部的溫度分布改變有關。K. Shinohara 等人通過功率循環試驗發現，當結溫 波動超過 100 K 時，鍵合線更容易發生失效，而當 最大結溫超過 200 ℃時，焊料更容易發生老化。O. Schilling 等人結合試驗和仿真結果發現，鍵合線疲 勞壽命與最大結溫具有弱相關性，而焊料對最大結 溫變化表現出更強的依賴性。R.Schmidt 等人通過 先進封裝與經典封裝相結合的方式，制作了銀燒結 模塊(鋁鍵合線)以及鋁包銅鍵合線(錫基焊料)模塊， 并分離出兩種失效模式，通過相同結溫波動、不同 最大結溫下的功率循環試驗發現，銀燒結模塊的活 化能僅為 0.069 eV，遠遠小于鋁包銅鍵合線模塊的 活化能(0.159 eV)，這說明焊料對于最大結溫的敏感 性遠遠大于鍵合線。?
上述研究表明，鍵合線失效對結溫波動更加敏 感，焊料老化對最大結溫更加敏感。但相關研究并 沒有針對性地分析研究影響失效模式背后的機理， 無法建立結溫條件與 IGBT 器件失效模式之間的邏 輯對應關系。此外，用于壽命預測的 IGBT 器件壽 命模型往往選擇解析壽命模型，例如 CIPS08 壽命模型。該類解析模型需要大量不同試驗條件下的功 率循環數據作為支撐，通過參數擬合得到 IGBT 器 件的壽命表達式。雖然相較于物理壽命模型，解析 壽命模型得到的結果更加準確，但仍難以分析不同 測試條件引起失效模式改變的機理。?
基于此，為了探究結溫條件對 IGBT 器件失效 模式的影響，本文首先從材料物理特性分析鋁鍵合 線、錫基焊料應變與結溫條件的變化關系；其次選 用 Infineon 公司的 Easypack 全橋模塊，進行不同結 溫條件下的功率循環試驗；然后建立三維有限元模 型，并通過瞬態熱阻抗校準熱路徑以確保物理模型 的準確性；最后，通過功率循環試驗仿真不同結溫 條件下鍵合線、焊料的應力、應變分布，分析了結 溫條件對鍵合線失效、焊料老化的影響機理。?
1 理論分析?
IGBT 器件通常由多層材料堆疊而成，其中鋁鍵 合線以及錫基焊料分別屬于彈塑性、粘塑性材料。二者相較于彈性材料的本質區別在于，彈塑性和粘 塑性材料在承受超過屈服點應力后會發生不可逆變 形，且粘塑性材料的應變會隨著時間不斷增加。在 功率循環加速老化過程中，由于不同材料之間熱膨 脹系數（CTE）不匹配引起的高循環熱應力超過了 材料的屈服極限，導致鍵合線和焊料分別發生較大 彈塑性應變和粘塑性應變，這也是導致 IGBT 器件 發生鍵合線失效和焊料老化的根本原因。因此，對 于功率循環這類低周疲勞試驗，通?？梢酝ㄟ^經典 Coffin-Mason 定律來描述二者壽命隨應變的變化， 即
式中：Nf 為鍵合線或焊料壽命；εp 為彈塑性或粘塑 性應變；n 為相關系數且為正數。? 1.1 鍵合線失效? IGBT 器件鍵合線失效可分為鍵合線抬起和鍵 合線跟部斷裂兩種形式，失效本質均為芯片 Si 材料 和鍵合線 Al 材料間的 CTE 不匹配引起的熱應力作 用。但失效過程和外部原因卻有所差異，如圖 1 所 示，當超聲鍵合質量不佳或鍵合線變形量較大時，此時熱應力以橫向剪切應力 Fx 為主，Fx 反復作用在 材料交界面導致鋁鍵合線疲勞，進而在鍵合線跟部 產生橫向裂紋使得鍵合線抬起。交界面的應力、應 變計算遵從雙金屬模型，可表示為
式中：εtot 為總應變；L 為鍵合界面的長度；αAl 和 αSi 分別為 Al 和 Si 的熱膨脹系數；ΔTj為結溫波動；σ 為等效應力；c 為與 Al 材料楊氏模量、泊松比有關 的系數；Δα 為 Al 和 Si 的熱膨脹系數差值。
當超聲鍵合質量較好或鍵腳變形被塑封材料限 制時，鍵合線受熱膨脹時的熱應力還需考慮縱向拉 伸產生的彎曲應力 Fy，Fy拉扯鍵合線跟部導致跟部 斷裂。此時應變計算應考慮幾何形狀帶來的影響， 應變可表示為
式中：D 為鍵合線直徑；r 為鍵合線跟部曲率半徑；a 為常數；φ 為鍵角。 由式(2)和式(4)可以看出，對于結溫條件，無論 哪一種鍵合線失效形式，鍵合線塑性應變只與結溫 波動成正比，與最大結溫無關。結溫波動越大，鍵 合界面所受應力越大，Al 鍵合線所發生的塑性應變 越大，其對應壽命越小。?
1.2 焊料老化?
功率循環過程中 IGBT 器件焊料老化主要可分 為裂紋形成和擴展兩個階段，裂紋形成的位置可在 焊料邊緣及中心。早期功率器件的功率密度不高， CTE 不匹配引起的熱應力集中在邊緣位置，因此裂 紋多從邊緣產生。但近些年研究發現，隨著功率 密度的不斷提高，焊料表面的溫度梯度不斷增加， 導致焊料中心溫度非常高，焊料裂紋多從中心位置萌發。說明焊料老化受多方面影響，溫度和應力為最主要的因素?？紤]焊料的時變和塑性特性，焊 料粘塑性應變率（εvp?）可用 Anand 流動方程表示， 即
式中：A 為粘塑性率；Q 為活化能；R 為理想氣體 常數；T 為熱力學溫度；ξ 為應力乘數；s 為變形阻 力；m 為應變率靈敏度。應變變化關系如圖 2 所示， 圖中：εvp 為粘塑性應變；Δεvp 為單位時間內的粘塑 性應變；t 為測試時間；Δt 為單位時間。從圖 2 和 式(5)可以看出，焊料粘塑性應變與溫度、應力密切 相關。ΔTj的改變通常會引起應力的變化，如式(3) 所示。當 ΔTj 增加時，焊料層受到的熱應力增加， 其粘塑性變形速率變快，焊料老化速率加快。
從圖 2 還可以看出，當溫度很高時，即使應力 很小，焊料的粘塑性應變也會隨著時間不斷增加。從微觀角度分析其原因，焊料這類低熔點金屬合金 材料的工作溫度越接近熔點溫度時(如 SAC305 的熔 點溫度為 221 ℃)，其晶粒結構越容易發生變化，晶 粒結構的改變容易引起微觀裂紋的產生。工作溫度 的提高改變了焊料的材料特性，加速了其蠕變過程， 從而導致其更容易形成裂紋進而發生疲勞失效。因 此，功率循環試驗條件中最大結溫的改變同樣對焊 料老化具有顯著影響。 綜上所述，由不同結溫條件下的功率循環試驗 可知，鍵合線的失效主要受 ΔTj 的影響，增大 ΔTj 能夠增加鍵合線所受熱應力，根據鍵合線塑性本構 模型，塑性應變也會增加，對應的壽命也會縮短。焊料的老化受到 ΔTj 和最大結溫的共同影響，但二 者影響機理不同，前者能改變焊料所受熱應力，進 而影響焊料老化速率；后者則是影響焊料本身的材料特性。?
2 功率循環試驗?
本文選用 Infineon 公司生產的 Easypack 全橋功 率模塊(1 200 V，25 A)進行不同結溫條件下的功率 循環試驗，其內部結構及電路拓撲如圖 3 所示，該 模塊包括 6 個 IGBT 開關，每個開關上均為三個鍵 腳，選擇開關 S2 或 S3 進行試驗。
為了避免測試結果的分散性，每組測試均選用 至少 4 個器件同時進行。試驗分組如表 1 所示（其 中：θjmax 為最大結溫；IL為負載電流；θinlet 為水溫）， 所有測試組的開通時間（ton）為 2 s，關斷時間（toff） 為 4 s，關斷后測試延時（tMD）為 333 μs。通過有限元仿真得到負載電流關斷后 tMD 帶來的最大結溫 下降不超過 1 K，因此可以忽略不計。趙雨山等人的試驗結果表明，此模塊的開關 S3由于共用上銅層， 散熱效果好，主要以鍵合線失效為主，開關 S2則主 要以焊料老化為主。因此對比試驗組 1~4 可分析 θjmax 對鍵合線、焊料老化的影響規律；對比試驗組 1 和 5 可分析 ΔTj對鍵合線失效的影響規律；對比試 驗組 6 和 7 可分析 ΔTj對焊料老化的影響規律。需 要注意的是，水冷設備所能達到的極限溫度為 80 ℃，試驗組 3 和 4 為了達到目標結溫，在器件與 散熱器之間增加了額外的熱阻層，該方法已被證明 不會影響器件的壽命及失效模式。為了保持 ΔTj 不發生改變，需減小測試電流，測試電流對壽命的 影響通過 CIPS08 模型進行修正。? 根據 AQG324 標準，當飽和壓降（VCE）上 升為初始值的 105%或芯片 pn 結到散熱器的熱阻 （Rthj-s）上升為初始值的 120%時，認為器件達到失 效標準。每組試驗器件均表現出相同的失效模式以 及相近的壽命，各組分別選擇一個器件進行功率循 環老化過程中關鍵參數展示，如圖 4 所示。
對于試驗組 1~4，隨著 θjmax 的增加，器件失效 形式發生了轉變。在試驗組 1 和 2 中，均是器件的 VCE增長先達到失效標準，因此判定為鍵合線失效， 但需要注意的是，試驗組 2 中器件的 Rthj-s 增長也已 接近失效標準，其他器件也是相同變化，這表明試 驗組 2 中的器件本質上屬于鍵合線、焊料同時老化；試驗組 3 和 4 中，均是器件的 Rthj-s 增長先達到失效 標準，而此時鍵合線并未有明顯的老化特征，因此 判定為焊料老化。從試驗參數變化分析失效模式可 發現，隨著 θjmax 的增加，器件由鍵合線失效轉換為 焊料老化，這表明 θjmax 對焊料的影響作用顯著，與 理論分析的結論相對應。?
對于試驗組 1 和 5，器件的失效模式未發生改 變，均為鍵合線失效。但隨著 ΔTj的增加，試驗組 5 中器件的 VCE 增長速率明顯大于試驗組 1 中器件， 這表明 ΔTj 的增加能顯著加快鍵合線裂紋的形成， 進而降低鍵合線壽命。對于試驗組 6 和 7，由于 S2 芯片與直接覆銅（DBC）面積的比值較大，熱量集 中于焊料不易散失，因此均表現為焊料老化，這也 從側面反映出溫度對焊料老化的影響，從圖 4 中試 驗組 6 器件先于試驗組 7 器件失效，說明 ΔTj對焊料的老化也有影響。?
為了量化結溫條件對鍵合線、焊料的影響，以 VCE和 Rthj-s分別增加到初始值的 105%和 120%的功 率循環次數作為鍵合線失效、焊料老化的壽命。得 到的鍵合線、焊料壽命隨 θjmax、ΔTj變化分別如圖 5 和圖 6 所示，圖中：kb 為玻耳茲曼常數；單個鍵腳 電流 Ibf=8 A，為了更好地擬合壽命與結溫條件間的 線性關系，圖中壽命均已對數化處理。 由圖 5 可以看出，隨著 θjmax 的變化，從試驗組 1 和 2 中得到的鍵合線壽命基本沒有變化，最大結 溫變量與鍵合線壽命變量相關系數僅為 0.126 2。這 表明二者之間具有弱相關性，并且計算得到鍵合線 活化能（EA）僅為 0.005 919 eV，遠小于 CIPS08 模 型[5]中的 0.165 eV。從試驗組 3 和 4 中得到的焊料 壽命隨 θjmax 呈現高度負相關，EA為 0.131 3 eV。該 結果再次驗證了理論分析中的結論：θjmax 對焊料老 化影響顯著，但對鍵合線失效幾乎沒有影響。
由圖 6 可以看出，鍵合線壽命及焊料壽命和 ΔTj 都有較好的負線性關系，其中鍵合線影響系數 β 為 -4.847 3，高于焊料影響系數-4.095 1，表明 ΔTj的增加對鍵合線失效的影響更加明顯。?
? 3 仿真分析? ??
為了進一步分析結溫條件對鍵合線、焊料的影 響，本文建立了被測器件的三維有限元模型，通過 有限元仿真分析在不同結溫條件時鍵合線、焊料的 應力、應變情況。仿真時以 S3 開關為研究對象，根 據器件手冊中輸出特性曲線設置 IGBT 芯片有源區 電導率，并且在芯片表面設置 4 μm 的鋁金屬層以更 加真實地反映芯片物理模型。鋁金屬層、鋁鍵合線 采用彈塑性模型，本構關系為雙線性；SAC305 焊 料層采用 Anand 粘塑性模型，物理場其他設置及網 格剖分如圖 7 所示。
將實測器件 S3 的瞬態熱阻抗（Zthj-s）曲線作為 標定曲線，計算仿真模型的 Zthj-s?
式中：θj(t=0)為降溫時刻初始結溫；θj(t)為降溫階段 各個時刻得到的結溫；Ploss 為芯片功率損耗。將計 算得到的仿真模型的 Zthj-s 繪制成曲線，并對模型熱 學參數不斷修正來確保熱路徑完全一致。將 θj作為 IGBT 芯片表面的平均溫度，因為試驗過程中通過 VCE(T)方法測得的虛擬結溫和芯片表面平均溫度近似。圖 8 為測試器件 S3 修正后的仿真和試驗測試 Zthj-s 曲線，二者完全重合表明仿真熱路徑和試驗熱 路徑已完全一致。
已經過熱路徑校準的模型可用于功率循環有限 元仿真，圖 9 為保持 ΔTj約為 90 K，θjmax 分別為 130、 150 和 180 ℃時模型的 θj變化仿真曲線，對應相應 的 θjmax，其最小結溫（θjmin）分別為 40.87、60.84 和 88.77 ℃。圖 10 為保持 θjmax 為 150 ℃，ΔTj分別 為 60、90 和 120 K 時模型的 θj變化仿真曲線。其他 仿真條件基本和實驗一致，ton 為 2 s，toff為 4 s。由 圖 9 和圖 10 可以看出，模型經 4 個周期就可達到穩 定狀態，并且穩定周期的結溫條件已經達到要求。取穩定周期中溫度最高時刻進行固體力學分析。
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圖 11 為 ΔTj=90 K, θjmax=150 ℃時 S3 鍵腳應力 分布，應力主要集中在 IGBT 鍵腳處，且中間鍵腳 第一鍵跟處具有最大應力，約為 84.63 MPa。主要因 為 IGBT 芯片表面存在溫度梯度，芯片中心溫度最 高，對應中間鍵腳的溫度條件比其他鍵腳更加嚴苛， 在功率循環過程中中間鍵腳先產生裂紋。此外，測 試電流從 IGBT 鍵腳流向基板鍵腳，在鍵拱上會由 于測試電流而產生焦耳熱，因此對于 IGBT 中間鍵 腳，第一鍵跟的溫度條件要高于第二鍵跟。其他結 溫條件下最大應力點均位于中間鍵合線第一鍵跟 處。
分別提取 t=20 s 時不同 ΔTj條件下該點的應力、 應變變化如圖 12 所示，ΔTj與應力、塑性應變呈現 完美的正線性關系，這也解釋了試驗組 1 和 5 中器 件 VCE 的增長速率不同的原因。因為功率循環過程 中鍵合線大致可分為裂紋形成、裂紋擴展等過程， 裂紋擴展階段由于裂紋尖端的應力作用，VCE通常呈 現指數式增長，持續時間較短。而裂紋形成階段占 整個功率循環階段的 90%，裂紋形成的速率與應力 呈正相關，當 ΔTj 增加時，導致鍵合線應力的快速 增加，高應力作用下鍵合線鍵跟處產生不可逆塑性 變形。在重復循環應力載荷作用下，局部塑性變形 累積最終形成裂紋進而引發失效。因此，ΔTj對于鍵合線失效有顯著影響。
圖 13 為在相同 ΔTj下(90 K)中間鍵合線應力、 應變分布情況，可以看出，θjmax 的增加對于鍵合線 應力、應變幾乎沒有任何影響。主要因為鋁材料在 即使 200 ℃下都很穩定，不會產生蠕變，表現為彈 塑性，材料特性決定了鋁在一定區間內不受溫度影 響。當然溫度繼續增加時，鋁會表現出軟化等，此 時則應考慮蠕變影響，但 IGBT 的現有極限工作溫 度為 175 ℃，因此，θjmax 對于鍵合線失效幾乎沒有影響。
? 同樣地，提取焊料表面平均應力、應變如圖 14(a) 所示，應力變化和結溫變化趨勢相同，原因在于應 力和 ΔTj 呈正相關，該關系由式(3)可以看出。θjmax 相同時，ΔTj越大，焊料受到的熱應力越大，對應的 粘塑性應變越大，與前述理論分析的結論一致。
如圖 14（b）所示，ΔTj相同時，θjmax 為 130 ℃ 時的應力曲線和 150 ℃時的應力曲線幾乎重合，但 θjmax 達到 180 ℃時應力增長顯著，對應的應變規律 也是如此。原因在于焊料這類粘塑性材料也存在穩 定期、蠕變期、不穩定期三個階段，通常工程上將 焊料的工作溫度除以熔點溫度定義為焊料的同一溫 度(Thom)。當 Thom<0.4 時焊料處于穩定期，結溫增加 對 于 焊 料 熱 應 力 、 應 變 不 會 產 生 影 響 ；當 0.4
以該仿真為例，仿真得到 θjmax 分別為 130、150 和 180 ℃時對應的焊料平均溫度分別為 112、132 和 168 ℃，SAC305 焊料的熔點溫度一般為 221 ℃， 對應 Thom 分別為 0.51、0.60、0.76。因此，當 θjmax 從 130 ℃增加到 150 ℃時，應變增加但不明顯；θjmax 繼續增加時，如圖 14(b)所示，此時焊料蠕變效應明 顯，對應的熱應力、粘塑性應變也會增長；進一步 地，當 θjmax 增加到 200 ℃時，對應同一溫度達到 0.83，且未考慮溫度梯度的影響，此時焊料不僅承 受高熱應力，并且高溫輸入會使材料的應變能密度 較高，并驅動晶粒之間發生位錯，并在晶格中增殖、遷移和聚集，使得材料特性發生改變，大量的位錯 最后也會不斷聚集形成微裂紋，此時焊料老化速 度明顯加快，如圖 4 試驗組熱阻變化曲線所示。因 此，在高溫環境下，θjmax 對焊料老化具有顯著影響。θjmax 越高，焊料的蠕變效應越明顯，其材料特性也 會發生變化，應時刻警惕器件的工作結溫，避免過 高工作溫度。?
4 結論??
本文通過理論分析、試驗驗證、仿真分析研究 了功率循環試驗中不同結溫條件對器件失效模式的 影響，得到以下結論。? 在功率循環試驗中，結溫波動對鍵合線失效有 顯著影響，最大結溫對鍵合線失效沒有影響。結溫 波動越大，鍵合線應力、應變越大，壽命越短，鍵 合線也更容易失效；最大結溫變化不會影響鍵合線 應力、應變，對壽命也沒有影響。 焊料老化受到結溫波動和最大結溫兩方面影 響，且二者對焊料老化都具有顯著影響。
前者通過 改變焊料所受熱應力影響其失效，后者通過改變材 料特性影響其失效。但當焊料處于穩定期時，最大 結溫不會影響焊料老化。? 本文研究成果揭示了結溫條件對器件失效模式 影響的機理，并為器件失效模式剝離提供了新的思 路，即通過控制較大的結溫波動能影響鍵合線失效， 通過控制較高的最大結溫能影響焊料老化。 本文的研究成果可幫助半導體廠商根據實際結 溫工況針對性地優化應用模塊。如某些工況中， 器件結溫波動小(<40 K)，但器件一般工作在額定工 作結溫附近，此時焊料成為主要薄弱點。因此半導 體廠商可采用銀燒結提高焊料可靠性。理清器件的 應用工況結溫條件后，依據本文提出的結溫條件對 器件失效模式的影響規律，可以針對性地優化器件， 提升整體壽命。
審核編輯：黃飛
工商網監
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