IGBT模塊主要失效形式

來源：IGBT模塊的焊料層疲勞失效機(jī)理研究 郭秋亞 ? ? 作為新能源發(fā)電、電動汽車和智能電網(wǎng)的重要單元，IGBT模塊得到越來越廣泛的應(yīng)用。IGBT器件封裝形式主要有焊接式和壓接式兩種，其中焊接式發(fā)展成熟，應(yīng)用廣泛。IGBT模塊的封裝結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，是由多種材料組合封裝而成，IGBT模塊的內(nèi)部發(fā)熱量隨著封裝電流密度的增加、功率的升高、體積的減小而成倍的增加，在溫度或功率循環(huán)等復(fù)雜且多變的工作狀態(tài)下持續(xù)正常運行時，對其可靠性提出了更高的要求。

1.IGBT模塊主要失效形式

IGBT模塊主要包含兩類失效形式：芯片級失效、封裝級失效。芯片級失效有輻射損傷、電子遷移、電過應(yīng)力、靜電放電、離子污染幾種情況，芯片級故障可使模塊在較短時間內(nèi)失去正常工作的能力。隨著不斷提升的器件制造工藝以及晚上的保障措施，芯片級失效已經(jīng)大大降低。

IGBT模塊封裝為層狀結(jié)構(gòu)，主要由芯片、芯片焊料層、上銅層、陶瓷層、下銅層、基底焊料層、基板組成。其中最脆弱的部位分別是用于連接固定的焊料層和芯片間電氣連接的鍵合線。

圖??IGBT模塊結(jié)構(gòu)

封裝級失效則是一個緩慢積累的過程，與材料在熱循環(huán)下的損傷積累有關(guān)，已成為IGBT模塊目前最主要的失效形式。一般情況下，如果IGBT結(jié)溫溫度波動較小，即△Tj≤80K，更易于引起焊料層的老化，降低模塊的散熱作用，增加模塊的熱阻，甚至造成模塊疲勞失效的后果；如若IGBT結(jié)溫溫度波動相對較大，即△Tj≥100K，更易引發(fā)鋁鍵合線的脫落、開裂等失效形式。

2.IGBT模塊封裝級失效

IGBT模塊封裝級失效分別為焊料層失效和鍵合線失效。

1）鍵合線故障

鍵合線在IGBT模塊的封裝中采用并聯(lián)多根焊接方式，可進(jìn)一步加強(qiáng)每層結(jié)構(gòu)間的電流的傳輸。當(dāng)前超過90%的芯片均使用超聲引線鍵合技術(shù)使IGBT芯片和FWD（Fly Wheel Diode，流二極管）互連封裝。由于鍵合線和模塊芯片的熱膨脹系數(shù)因材料各異而不同，從而成為引發(fā)鍵合線故障的主要因素。

而模塊在正常工作運轉(zhuǎn)時，受溫度變換產(chǎn)生的熱應(yīng)力的影響，鍵合線會發(fā)生剝離的現(xiàn)象，如果損傷積累嚴(yán)重，會引發(fā)故障的產(chǎn)生。只要有一根鍵合線發(fā)生損傷老化時，那么將增大傳輸?shù)狡渌I合線的電流，引起模塊熱量的升高，促使IGBT模塊進(jìn)一步老化失效。

鍵合線的失效模式多樣，常見的鍵合線故障部位為鍵合線和芯片間的剝離、鍵合線和DBC陶瓷覆銅板表面連接處底部脫落、鍵合線根部斷裂以及鍵合線裂紋等。

2）焊料層故障

IGBT模塊的層狀材料間的焊料層一方面是用于電氣連接、固定支撐，另一方面是形成整個模塊的散熱通道，為實現(xiàn)模塊的功能提供了可靠的連接支撐的作用。

表??IGBT模塊材料參數(shù)

隨著IGBT的耗散功率和開關(guān)頻率不斷增大，以及工作環(huán)境嚴(yán)苛，使得IGBT模塊產(chǎn)生大量的熱量，由于模塊內(nèi)的熱量無法及時得到釋放，從而引起模塊內(nèi)部溫度升高。當(dāng)工況溫度變換時，IGBT內(nèi)各層材料因具有各不相同的熱膨脹系數(shù)，在不斷的熱流沖擊下，各層狀結(jié)構(gòu)的形變程度不同，受限于彼此間的固定約束，層狀結(jié)構(gòu)間發(fā)生周期變化的剪切應(yīng)力，焊料層將發(fā)生不可恢復(fù)塑性形變，隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加，不可逆的塑性形變將不斷積累，從而導(dǎo)致焊料層發(fā)生損傷變形直至失效。

焊料層失效主要分為裂紋和空洞兩種失效形式。一般情況下，焊料層發(fā)生初步損傷時并不能對模塊的正常運行產(chǎn)生明顯的影響，但損傷的積累會引發(fā)IGBT模塊內(nèi)部熱量不平衡，從而發(fā)生熱集中效應(yīng)。最終可能會導(dǎo)致焊料層斷裂甚至整個IGBT模塊失效。

IGBT模塊應(yīng)用的趨勢是功率密度更大、開關(guān)頻率更高、體積更小，其安全可靠性也受到了更多的關(guān)注。 ?

編輯：黃飛

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