IGBT的失效模式與失效機理分析探討及功率模塊技術現狀未來展望

失效率是可靠性最重要的評價標準，所以研究IGBT的失效模式和機理對提高IGBT的可靠性有指導作用。歡迎識別二維碼加入IGBT產業鏈微信群及通訊錄。壓接型IGBT器件與焊接式IGBT模塊封裝形式的差異最終導致兩種IGBT器件的失效形式和失效機理的不同，如表1所示。本文針對兩種不同封裝形式IGBT器件的主要失效形式和失效機理進行分析。

1. 焊接式IGBT模塊
封裝材料的性能是決定模塊性能的基礎，尤其是封裝材料的可靠性對模塊的可靠性具有非常重要的影響，其中最主要的指標是熱膨脹系數，其次是電導、熱容和熱導率等。材料熱膨脹系數的不同往往是造成模塊失效的根本原因。IGBT會在不同條件下產生溫度波動，材料熱膨脹系數的不同會導致熱應力不同，從而對器件內部產生影響。所以相鄰界面材料的熱膨脹系數差異應盡可能小。焊接式IGBT模塊封裝常用材料的熱膨脹系數(α)如圖1所示。

1.1鍵合引線脫落：焊接式IGBT模塊的失效模式中，鍵合引線的脫落是最容易發生的，有資料表明引線的脫落可以占到IGBT模塊失效的70%左右。鍵合引線一般是鋁引線，在引線長期受熱應力反復作用達到一定程度后，電流快速流過時發生電弧閃絡，就會造成鍵合線剝落脫離，在鍵合線與芯片相接觸部分的界面上產生焊坑，并且可以在芯片上檢測到焊料殘留。

如圖3所示，其實在焊線脫離之前，由于功率循環的作用，剪切應力不斷施加在界面上，會導致焊料層因材料疲勞出現裂紋，裂紋生長甚至出現分層、空洞或氣泡，并最終導致引線的脫落。

改進焊接的工藝，如利用超聲鍵合技術和利用銅引線鍵合技術可以顯著提高引線的粘附質量。利用銀燒結技術和在焊線上涂聚酰亞胺也會實現很好的功率循環能力，一定程度提高焊線和焊層的壽命。

1.2焊接層疲勞：焊料層疲勞也是一種常見的焊接式IGBT模塊失效模式。所謂的焊料疲勞是由于焊層與接觸面斷裂或分層，造成器件的熱阻增加，加快了器件整體的失效，如圖4 所示。圖5 為1200V/150A IGBT芯片工作時表面的溫度分布，芯片對角線的溫度梯度差達到了40℃，焊料界面退化的直接原因是由于熱膨脹系數的差別引起的高應力。焊料界面的斷裂增加了相應芯片區域的局部熱阻，從而使芯片溫度局部增加。

如果斷裂從邊緣開始，溫度相對較低的芯片區域溫度增加，而芯片中心最高溫度保持不變。當斷裂從中心最高溫度開始時，芯片中心最高溫度會迅速增加。這種正反饋循環加速會加快整個界面焊料層的疲勞進度，因而會降低功率模塊的壽命。

1.3金屬化重建：焊接式IGBT模塊經歷反復溫度波動后會在金屬化的鋁層中出現顆粒狀的結構。在結溫高于110℃時，溫度循環加熱階段的周期性應力會導致顆粒超過其彈性應變極限，從而導致塑性變形。利用掃描聲學顯微鏡(SAM)可以很好地檢測，圖6給出了功率循環期間各種不同溫度的影響。圖6(a)給出了3200000個功率循環，在85～125℃時的IGBT表面金屬化圖像;圖6(b)給出了7250個功率循環，功率循環溫度差ΔT=131K，θhigh=171℃時IGBT表面金屬化圖像;圖6(c)給出了16800個功率循環，40～200℃后二極管的表面金屬化圖像。

接觸面的金屬層重建導致接觸電阻增加是產生故障的根本原因。比如經過幾百次功率循環后，AlN襯底上的鋁層厚度可以達到300μm，界面的表面粗糙度增加超過10倍。有研究表明引線鍵合邊緣部分下面的重建效應被抑制，原因是聚酰亞胺覆蓋層抑制了表面金屬化重建，因為任何覆蓋層都將限制顆粒的運動，如圖7所示。

2. 壓接型IGBT器件：壓接型IGBT器件與焊接式IGBT模塊結構有很大區別，失效模式與失效機理不盡相同。壓接型IGBT器件不僅設計緊湊，可實現雙面散熱，而且可以克服焊接式IGBT鍵合引線的失效模式。同時各部件靠壓力接觸避免了熱膨脹系數不同的焊層與各層的剛性連接。當然壓接型IGBT也不是完美的，壓接模塊沒有介電隔離，壓力不均以及彈簧松弛等也是與焊接模塊不同的可靠性問題。壓接型IGBT失效根源也有與焊接式IGBT相似的地方，比如熱膨脹系數不匹配或熱應力造成部件形變等原因。

2.1微動磨損：微動磨損是壓接型IGBT器件最常見的失效模式。造成微動磨損最根本的原因也是熱膨脹系數的不匹配，造成各個界面的材料在膨脹和收縮過程中產生微小的相互摩擦和滑動，如圖8所示。微動磨損會造成各接觸面的相對摩擦，進而使表面粗糙度增加，使表面接觸熱阻和接觸電阻增加。這樣在功率循環過程中會不斷增加芯片的結溫，造成失效加速。

2.2微燒蝕：壓接型IGBT器件功率循環試驗之后，可以用光學顯微鏡觀測到一些銀片和鉬片之間有很嚴重的燒蝕后消融現象，如圖9所示。

這種局部燒蝕是由于芯片微小電弧放電所致。相接觸表面有彼此的材料殘留，這種機制與機械工程領域中的電火花加工工藝(electrical discharge machining，EDM)十分相似，所以也可稱這種機理為微小放電。壓接型IGBT器件通過外部施加一定的壓力保持組件間的電氣與機械連接，兩接觸面間的壓力過小會造成接觸不良。接觸不良還會導致接觸面間存在一定的電壓差，進而產生電弧放電。T.Poller等人提出了導致壓接型IGBT器件局部接觸不良的原因，如圖10所示。

在通負載電流之前，封裝內部的各芯片由于壓力不均導致只有一側是相互接觸，這時模塊的基本功能還能實現。在關斷負載電流之后，IGBT停止發熱，各部件開始降溫收縮。由于熱膨脹系數的不同，各部分與管殼相比時間常數更小，所以收縮更快。這樣會導致內部芯片完全失去接觸。

2.3柵氧層損壞：如圖11所示，在壓接型IGBT器件中，IGBT芯片上有一層附加金屬層以便承受住巨大的壓力。

另一種失效模式可能是柵極和發射極的氧化層損壞造成的極間短路。一個正常完好的IGBT器件的柵極漏電流通常在微安范圍，那么柵射電阻RGE在千歐級及以下范圍時就可以判定器件短路。進一步說就是柵射電阻減小導致柵極漏電流增大。若柵極驅動電路不能提供已經增大了的柵極電流，柵射電壓VGE的值就會下降。這樣就會造成芯片中的導電通道變窄，導致集射電壓VCE階梯狀(如圖12所示，圖中n為循環次數)。如上所述，集射電壓的變化會造成芯片上的裂痕。如圖13所示，梳狀發射極上很多有單條裂痕。同時可以從圖13(a)可以看到附加金屬層與發射極分層，這樣可能導致IGBT芯片和相接觸鉬片相對滑動。

圖14(a)所示的是大范圍裂紋，這就是鉬片一端傾斜導致一端壓力過大造成的。圖14(b)所示IGBT芯片附加金屬區的裂痕和磨損。圖14(c)所示的是第三種類型裂痕，這是某一小片區域因為個別點壓力過大造成了芯片的損壞。所有上述的損壞都是因為局部應力過大，而壓力過大是由于柵極氧化層的損壞造成的。

2.4 彈簧失效：彈簧失效也是壓接型IGBT一種特有的失效模式。彈簧失效一般包括彈簧疲勞、彈簧應力松弛、磨損等。柵極彈簧會隨著時間推移和溫度的變化出現應力松弛現象，如圖15所示。彈簧松弛后會導致柵極探針與柵極表面接觸不良，進而增加了接觸電阻，提升了結溫，加速器件失效。彈簧應力松弛與材料、溫度和時間有關，具體函數關系可表示為

式中:σ是經過t小時后彈簧剩余應力值;σ0是彈簧初始應力值;A和B是與溫度有關的材料常數。在功率循環過程中，彈簧在快速加熱和冷卻過程中會出現熱疲勞，甚至到最后有可能發展成為彈簧斷裂。彈簧的熱疲勞主要與功率循環的溫度設定情況和彈簧剛性(彈簧的材料、幾何形狀)有關。

2.5宇宙射線：宇宙射線是焊接式和壓接型IGBT的一種共有的失效機制，也會導致器件的失效燒毀。宇宙射線導致的失效無法預測，沒有任何先兆。IGBT與其他器件如二極管、晶閘管和GTO等相比對宇宙射線造成的影響更加敏感。宇宙射線主要是宇宙空間中超新星爆發所產生的高能粒子。這些最初的宇宙射線通常無法直接到達地球表面，但會與大氣中的其他粒子碰撞分解為諸如π介子、μ介子和中子等其他高能粒子。宇宙射線一般來說破壞芯片非常隨機，其作用的位置和芯片數量也很隨機。高能粒子中的一小部分中子穿過IGBT器件和硅原子核發生碰撞，產生背散射粒子，這些離子會再次產生一個局部電荷濃度很高的等離子體。在空間電荷區中這些載流子分離產生電流脈沖，如果因等離子體產生的電場強度超過一定閾值，碰撞電離產生的載流子就會高于因擴散機制流出等離子體的載流子。這種放電稱為"流光"，類似于氣體放電。在數百皮秒內，器件局部被自由載流子湮沒，產生一個局部電流管道。最后半導體器件就被非常高密度的局部電流破壞了，如圖16所示。

3. 結語
焊接式IGBT模塊和壓接型IGBT器件內部都是多層結構。焊接式IGBT是將Si芯片通過焊料焊接在DCB板上，再通過鋁鍵合引線連接Si芯片和外接電路。其中鍵合線脫落是焊接式IGBT模塊最常見的失效模式。焊接式IGBT模塊通過各個不同材料焊接在一起，不同材料熱膨脹系數的不同是焊接式IGBT模塊失效的最主要的原因。壓接型IGBT是靠壓力將各部件連接，這樣完全消除了傳統焊接式IGBT技術中與鍵合線和焊接層相關的失效形式。壓接型IGBT器件雖然消除了鍵合線和焊接層帶來的失效，但引入了外部壓力以及彈簧，所以存在一些由于壓力不均勻或彈簧疲勞帶來的失效。

從上述分析可以看到焊接式IGBT與壓接型IGBT的失效模式是不同的，其中只有宇宙射線對器件的損壞是共有的失效模式。兩者其他的失效模式也是在經歷功率循環的過程中熱膨脹系數不匹配所造成的，所以在提高IGBT器件可靠性時，新材料的研發和使用至關重要。同時，利用一些新技術也可以提高IGBT的可靠性。很少有文獻提到對壓接型IGBT比如選用材料、芯片布局和制造工藝等技術上的改進，這也是以后需要進一步深入研究的方面。

碳化硅功率模塊是使用碳化硅半導體作為開關的功率模塊。碳化硅功率模塊用于轉換電能，轉換效率高—功率是指電流和電壓的乘積。碳化硅半導體帶隙寬，用于 MOSFET 中時，開關損耗極低，因此相較于普通的硅器件，可允許更高的開關頻率。同時，與傳統的硅半導體相比，碳化硅半導體能夠在更高的溫度和更高的電壓下工作。

碳化硅功率模塊的生產工藝流程主要包括陶瓷基板排片、銀漿印刷、芯片貼片、銀燒結、真空回流焊、引線框架組裝焊接、引線鍵合、等離子清洗、塑封、X光檢測、測試包裝等環節。

碳化硅半橋模塊的生產工藝流程圖