IGBT器件失效模式的影響分析

為了探究功率循環(huán)試驗(yàn)中結(jié)溫條件對(duì)絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）器件失效模式 的影響及其失效機(jī)理，以理論分析為出發(fā)點(diǎn)，通過大量功率循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，基于瞬 態(tài)熱阻抗曲線建立了準(zhǔn)確的三維有限元模型，并仿真分析了相關(guān)失效機(jī)理。仿真及試驗(yàn)結(jié)果 表明，鍵合線失效只受結(jié)溫波動(dòng)的影響；焊料老化受結(jié)溫波動(dòng)和最大結(jié)溫的影響。增加結(jié)溫 波動(dòng)會(huì)增加鍵合線、焊料所受應(yīng)力，而提高最大結(jié)溫會(huì)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(jī)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(yīng)用于工業(yè)、軌道交通、新能源發(fā)電、 電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。寬禁帶器件如 SiC 和 GaN 器件近 些年得到重點(diǎn)關(guān)注并迅速發(fā)展，可靠性成為研究的 重點(diǎn)。功率器件的封裝可靠性直接決定了整個(gè)變流 器的可靠性。因此，為了提高系統(tǒng)的可靠性，減少運(yùn)行設(shè)備的維修成本，對(duì)實(shí)際工況下的器件進(jìn)行壽 命預(yù)測(cè)具有重要的意義。通常方法是在功率循環(huán)試 驗(yàn)中較高的結(jié)溫條件下建立器件的解析壽命模型， 然后外推得到實(shí)際低結(jié)溫工況條件下的壽命，但外 推的前提是不同試驗(yàn)條件下器件的失效模式和機(jī)理 不能發(fā)生改變，但現(xiàn)有解析壽命模型無法區(qū)分器 件的失效模式和失效機(jī)理。因此在功率循環(huán)試驗(yàn)下， 明確影響器件失效模式的試驗(yàn)條件因素對(duì)于驗(yàn)證外 推等效性具有推動(dòng)作用。

功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)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(gè)影響因素，如封裝材料、器件結(jié)構(gòu)以及試驗(yàn)條 件等。但對(duì)于特定封裝的器件，試驗(yàn)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(shí)際工況進(jìn)行等效的關(guān)鍵。目前發(fā)現(xiàn)影響失效 模式的試驗(yàn)因素有結(jié)溫條件(結(jié)溫波動(dòng)和最大結(jié)溫) 和開通時(shí)間。陳杰等人研究發(fā)現(xiàn)，開通時(shí)間增加 時(shí)，高壓大功率 IGBT 模塊的失效點(diǎn)向底部偏移， 從鍵合線失效變?yōu)楹噶侠匣?，并且通過仿真揭示了 失效模式的轉(zhuǎn)變與模塊內(nèi)部的溫度分布改變有關(guān)。K. Shinohara 等人通過功率循環(huán)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)結(jié)溫 波動(dòng)超過 100 K 時(shí)，鍵合線更容易發(fā)生失效，而當(dāng) 最大結(jié)溫超過 200 ℃時(shí)，焊料更容易發(fā)生老化。O. Schilling 等人結(jié)合試驗(yàn)和仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鍵合線疲 勞壽命與最大結(jié)溫具有弱相關(guān)性，而焊料對(duì)最大結(jié) 溫變化表現(xiàn)出更強(qiáng)的依賴性。R.Schmidt 等人通過 先進(jìn)封裝與經(jīng)典封裝相結(jié)合的方式，制作了銀燒結(jié) 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(jié)溫波動(dòng)、不同 最大結(jié)溫下的功率循環(huán)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，銀燒結(jié)模塊的活 化能僅為 0.069 eV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋁包銅鍵合線模塊的 活化能(0.159 eV)，這說明焊料對(duì)于最大結(jié)溫的敏感 性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鍵合線。?

上述研究表明，鍵合線失效對(duì)結(jié)溫波動(dòng)更加敏 感，焊料老化對(duì)最大結(jié)溫更加敏感。但相關(guān)研究并 沒有針對(duì)性地分析研究影響失效模式背后的機(jī)理， 無法建立結(jié)溫條件與 IGBT 器件失效模式之間的邏 輯對(duì)應(yīng)關(guān)系。此外，用于壽命預(yù)測(cè)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(yàn)條件下的功 率循環(huán)數(shù)據(jù)作為支撐，通過參數(shù)擬合得到 IGBT 器 件的壽命表達(dá)式。雖然相較于物理壽命模型，解析 壽命模型得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確，但仍難以分析不同 測(cè)試條件引起失效模式改變的機(jī)理。?

基于此，為了探究結(jié)溫條件對(duì) 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(yīng)變與結(jié)溫條件的變化關(guān)系；其次選 用 Infineon 公司的 Easypack 全橋模塊，進(jìn)行不同結(jié) 溫條件下的功率循環(huán)試驗(yàn)；然后建立三維有限元模 型，并通過瞬態(tài)熱阻抗校準(zhǔn)熱路徑以確保物理模型 的準(zhǔn)確性；最后，通過功率循環(huán)試驗(yàn)仿真不同結(jié)溫 條件下鍵合線、焊料的應(yīng)力、應(yīng)變分布，分析了結(jié) 溫條件對(duì)鍵合線失效、焊料老化的影響機(jī)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(zhì)區(qū)別在于，彈塑性和粘 塑性材料在承受超過屈服點(diǎn)應(yīng)力后會(huì)發(fā)生不可逆變 形，且粘塑性材料的應(yīng)變會(huì)隨著時(shí)間不斷增加。在 功率循環(huán)加速老化過程中，由于不同材料之間熱膨 脹系數(shù)（CTE）不匹配引起的高循環(huán)熱應(yīng)力超過了 材料的屈服極限，導(dǎo)致鍵合線和焊料分別發(fā)生較大 彈塑性應(yīng)變和粘塑性應(yīng)變，這也是導(dǎo)致 IGBT 器件 發(fā)生鍵合線失效和焊料老化的根本原因。因此，對(duì) 于功率循環(huán)這類低周疲勞試驗(yàn)，通?？梢酝ㄟ^經(jīng)典 Coffin-Mason 定律來描述二者壽命隨應(yīng)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(yīng)變；n 為相關(guān)系數(shù)且為正數(shù)。? 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(zhì)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(yīng)力作 用。但失效過程和外部原因卻有所差異，如圖 1 所 示，當(dāng)超聲鍵合質(zhì)量不佳或鍵合線變形量較大時(shí)，此時(shí)熱應(yīng)力以橫向剪切應(yīng)力 Fx 為主，F(xiàn)x 反復(fù)作用在 材料交界面導(dǎo)致鋁鍵合線疲勞，進(jìn)而在鍵合線跟部 產(chǎn)生橫向裂紋使得鍵合線抬起。交界面的應(yīng)力、應(yīng) 變計(jì)算遵從雙金屬模型，可表示為

式中：εtot 為總應(yīng)變；L 為鍵合界面的長(zhǎng)度；αAl 和 αSi 分別為 Al 和 Si 的熱膨脹系數(shù)；ΔTj為結(jié)溫波動(dòng)；σ 為等效應(yīng)力；c 為與 Al 材料楊氏模量、泊松比有關(guān) 的系數(shù)；Δα 為 Al 和 Si 的熱膨脹系數(shù)差值。

當(dāng)超聲鍵合質(zhì)量較好或鍵腳變形被塑封材料限 制時(shí)，鍵合線受熱膨脹時(shí)的熱應(yīng)力還需考慮縱向拉 伸產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力 Fy，F(xiàn)y拉扯鍵合線跟部導(dǎo)致跟部 斷裂。此時(shí)應(yīng)變計(jì)算應(yīng)考慮幾何形狀帶來的影響， 應(yīng)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(shù)；φ 為鍵角。 由式(2)和式(4)可以看出，對(duì)于結(jié)溫條件，無論 哪一種鍵合線失效形式，鍵合線塑性應(yīng)變只與結(jié)溫 波動(dòng)成正比，與最大結(jié)溫?zé)o關(guān)。結(jié)溫波動(dòng)越大，鍵 合界面所受應(yīng)力越大，Al 鍵合線所發(fā)生的塑性應(yīng)變 越大，其對(duì)應(yīng)壽命越小。?

1.2 焊料老化?

功率循環(huán)過程中 IGBT 器件焊料老化主要可分 為裂紋形成和擴(kuò)展兩個(gè)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(yīng)力集中在邊緣位置，因此裂 紋多從邊緣產(chǎn)生。但近些年研究發(fā)現(xiàn)，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(dǎo)致焊料中心溫度非常高，焊料裂紋多從中心位置萌發(fā)。說明焊料老化受多方面影響，溫度和應(yīng)力為最主要的因素?？紤]焊料的時(shí)變和塑性特性，焊 料粘塑性應(yīng)變率（εvp?）可用 Anand 流動(dòng)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(shù)；T 為熱力學(xué)溫度；ξ 為應(yīng)力乘數(shù)；s 為變形阻 力；m 為應(yīng)變率靈敏度。應(yīng)變變化關(guān)系如圖 2 所示， 圖中：εvp 為粘塑性應(yīng)變；Δεvp 為單位時(shí)間內(nèi)的粘塑 性應(yīng)變；t 為測(cè)試時(shí)間；Δt 為單位時(shí)間。從圖 2 和 式(5)可以看出，焊料粘塑性應(yīng)變與溫度、應(yīng)力密切 相關(guān)。ΔTj的改變通常會(huì)引起應(yīng)力的變化，如式(3) 所示。當(dāng) ΔTj 增加時(shí)，焊料層受到的熱應(yīng)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(dāng)溫度很高時(shí)，即使應(yīng)力 很小，焊料的粘塑性應(yīng)變也會(huì)隨著時(shí)間不斷增加。從微觀角度分析其原因，焊料這類低熔點(diǎn)金屬合金 材料的工作溫度越接近熔點(diǎn)溫度時(shí)(如 SAC305 的熔 點(diǎn)溫度為 221 ℃)，其晶粒結(jié)構(gòu)越容易發(fā)生變化，晶 粒結(jié)構(gòu)的改變?nèi)菀滓鹞⒂^裂紋的產(chǎn)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(dǎo)致其更容易形成裂紋進(jìn)而發(fā)生疲勞失效。因 此，功率循環(huán)試驗(yàn)條件中最大結(jié)溫的改變同樣對(duì)焊 料老化具有顯著影響。 綜上所述，由不同結(jié)溫條件下的功率循環(huán)試驗(yàn) 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(yīng)力，根據(jù)鍵合線塑性本構(gòu) 模型，塑性應(yīng)變也會(huì)增加，對(duì)應(yīng)的壽命也會(huì)縮短。焊料的老化受到 ΔTj 和最大結(jié)溫的共同影響，但二 者影響機(jī)理不同，前者能改變焊料所受熱應(yīng)力，進(jìn) 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(huán)試驗(yàn)?

本文選用 Infineon 公司生產(chǎn)的 Easypack 全橋功 率模塊(1 200 V，25 A)進(jìn)行不同結(jié)溫條件下的功率 循環(huán)試驗(yàn)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路拓?fù)淙鐖D 3 所示，該 模塊包括 6 個(gè) IGBT 開關(guān)，每個(gè)開關(guān)上均為三個(gè)鍵 腳，選擇開關(guān) S2 或 S3 進(jìn)行試驗(yàn)。

為了避免測(cè)試結(jié)果的分散性，每組測(cè)試均選用 至少 4 個(gè)器件同時(shí)進(jìn)行。試驗(yàn)分組如表 1 所示（其 中：θjmax 為最大結(jié)溫；IL為負(fù)載電流；θinlet 為水溫）， 所有測(cè)試組的開通時(shí)間（ton）為 2 s，關(guān)斷時(shí)間（toff） 為 4 s，關(guān)斷后測(cè)試延時(shí)（tMD）為 333 μs。通過有限元仿真得到負(fù)載電流關(guān)斷后 tMD 帶來的最大結(jié)溫 下降不超過 1 K，因此可以忽略不計(jì)。趙雨山等人的試驗(yàn)結(jié)果表明，此模塊的開關(guān) 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(guān) S2則主 要以焊料老化為主。因此對(duì)比試驗(yàn)組 1~4 可分析 θjmax 對(duì)鍵合線、焊料老化的影響規(guī)律；對(duì)比試驗(yàn)組 1 和 5 可分析 ΔTj對(duì)鍵合線失效的影響規(guī)律；對(duì)比試 驗(yàn)組 6 和 7 可分析 ΔTj對(duì)焊料老化的影響規(guī)律。需 要注意的是，水冷設(shè)備所能達(dá)到的極限溫度為 80 ℃，試驗(yàn)組 3 和 4 為了達(dá)到目標(biāo)結(jié)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(huì)影響器件的壽命及失效模式。為了保持 ΔTj 不發(fā)生改變，需減小測(cè)試電流，測(cè)試電流對(duì)壽命的 影響通過 CIPS08 模型進(jìn)行修正。? 根據(jù) AQG324 標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)飽和壓降（VCE）上 升為初始值的 105%或芯片 pn 結(jié)到散熱器的熱阻 （Rthj-s）上升為初始值的 120%時(shí)，認(rèn)為器件達(dá)到失 效標(biāo)準(zhǔn)。每組試驗(yàn)器件均表現(xiàn)出相同的失效模式以 及相近的壽命，各組分別選擇一個(gè)器件進(jìn)行功率循 環(huán)老化過程中關(guān)鍵參數(shù)展示，如圖 4 所示。

對(duì)于試驗(yàn)組 1~4，隨著 θjmax 的增加，器件失效 形式發(fā)生了轉(zhuǎn)變。在試驗(yàn)組 1 和 2 中，均是器件的 VCE增長(zhǎng)先達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)，因此判定為鍵合線失效， 但需要注意的是，試驗(yàn)組 2 中器件的 Rthj-s 增長(zhǎng)也已 接近失效標(biāo)準(zhǔn)，其他器件也是相同變化，這表明試 驗(yàn)組 2 中的器件本質(zhì)上屬于鍵合線、焊料同時(shí)老化；試驗(yàn)組 3 和 4 中，均是器件的 Rthj-s 增長(zhǎng)先達(dá)到失效 標(biāo)準(zhǔn)，而此時(shí)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(yàn)參數(shù)變化分析失效模式可 發(fā)現(xiàn)，隨著 θjmax 的增加，器件由鍵合線失效轉(zhuǎn)換為 焊料老化，這表明 θjmax 對(duì)焊料的影響作用顯著，與 理論分析的結(jié)論相對(duì)應(yīng)。?

對(duì)于試驗(yàn)組 1 和 5，器件的失效模式未發(fā)生改 變，均為鍵合線失效。但隨著 ΔTj的增加，試驗(yàn)組 5 中器件的 VCE 增長(zhǎng)速率明顯大于試驗(yàn)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(jìn)而降低鍵合線壽命。對(duì)于試驗(yàn)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(xiàn)為焊料老化，這也 從側(cè)面反映出溫度對(duì)焊料老化的影響，從圖 4 中試 驗(yàn)組 6 器件先于試驗(yàn)組 7 器件失效，說明 ΔTj對(duì)焊料的老化也有影響。?

為了量化結(jié)溫條件對(duì)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(huán)次數(shù)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(shù)；單個(gè)鍵腳 電流 Ibf=8 A，為了更好地?cái)M合壽命與結(jié)溫條件間的 線性關(guān)系，圖中壽命均已對(duì)數(shù)化處理。 由圖 5 可以看出，隨著 θjmax 的變化，從試驗(yàn)組 1 和 2 中得到的鍵合線壽命基本沒有變化，最大結(jié) 溫變量與鍵合線壽命變量相關(guān)系數(shù)僅為 0.126 2。這 表明二者之間具有弱相關(guān)性，并且計(jì)算得到鍵合線 活化能（EA）僅為 0.005 919 eV，遠(yuǎn)小于 CIPS08 模 型[5]中的 0.165 eV。從試驗(yàn)組 3 和 4 中得到的焊料 壽命隨 θjmax 呈現(xiàn)高度負(fù)相關(guān)，EA為 0.131 3 eV。該 結(jié)果再次驗(yàn)證了理論分析中的結(jié)論：θjmax 對(duì)焊料老 化影響顯著，但對(duì)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(fù)線性關(guān)系，其中鍵合線影響系數(shù) β 為 -4.847 3，高于焊料影響系數(shù)-4.095 1，表明 ΔTj的增加對(duì)鍵合線失效的影響更加明顯。?

? 3 仿真分析? ??

為了進(jìn)一步分析結(jié)溫條件對(duì)鍵合線、焊料的影 響，本文建立了被測(cè)器件的三維有限元模型，通過 有限元仿真分析在不同結(jié)溫條件時(shí)鍵合線、焊料的 應(yīng)力、應(yīng)變情況。仿真時(shí)以 S3 開關(guān)為研究對(duì)象，根 據(jù)器件手冊(cè)中輸出特性曲線設(shè)置 IGBT 芯片有源區(qū) 電導(dǎo)率，并且在芯片表面設(shè)置 4 μm 的鋁金屬層以更 加真實(shí)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(gòu)關(guān)系為雙線性；SAC305 焊 料層采用 Anand 粘塑性模型，物理場(chǎng)其他設(shè)置及網(wǎng) 格剖分如圖 7 所示。

將實(shí)測(cè)器件 S3 的瞬態(tài)熱阻抗（Zthj-s）曲線作為 標(biāo)定曲線，計(jì)算仿真模型的 Zthj-s?

式中：θj(t=0)為降溫時(shí)刻初始結(jié)溫；θj(t)為降溫階段 各個(gè)時(shí)刻得到的結(jié)溫；Ploss 為芯片功率損耗。將計(jì) 算得到的仿真模型的 Zthj-s 繪制成曲線，并對(duì)模型熱 學(xué)參數(shù)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?yàn)樵囼?yàn)過程中通過 VCE(T)方法測(cè)得的虛擬結(jié)溫和芯片表面平均溫度近似。圖 8 為測(cè)試器件 S3 修正后的仿真和試驗(yàn)測(cè)試 Zthj-s 曲線，二者完全重合表明仿真熱路徑和試驗(yàn)熱 路徑已完全一致。

已經(jīng)過熱路徑校準(zhǔn)的模型可用于功率循環(huán)有限 元仿真，圖 9 為保持 ΔTj約為 90 K，θjmax 分別為 130、 150 和 180 ℃時(shí)模型的 θj變化仿真曲線，對(duì)應(yīng)相應(yīng) 的 θjmax，其最小結(jié)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(shí)模型的 θj變化仿真曲線。其他 仿真條件基本和實(shí)驗(yàn)一致，ton 為 2 s，toff為 4 s。由 圖 9 和圖 10 可以看出，模型經(jīng) 4 個(gè)周期就可達(dá)到穩(wěn) 定狀態(tài)，并且穩(wěn)定周期的結(jié)溫條件已經(jīng)達(dá)到要求。取穩(wěn)定周期中溫度最高時(shí)刻進(jìn)行固體力學(xué)分析。

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圖 11 為 ΔTj=90 K, θjmax=150 ℃時(shí) S3 鍵腳應(yīng)力 分布，應(yīng)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(yīng)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(duì)應(yīng)中間鍵腳的溫度條件比其他鍵腳更加嚴(yán)苛， 在功率循環(huán)過程中中間鍵腳先產(chǎn)生裂紋。此外，測(cè) 試電流從 IGBT 鍵腳流向基板鍵腳，在鍵拱上會(huì)由 于測(cè)試電流而產(chǎn)生焦耳熱，因此對(duì)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(jié) 溫條件下最大應(yīng)力點(diǎn)均位于中間鍵合線第一鍵跟 處。

分別提取 t=20 s 時(shí)不同 ΔTj條件下該點(diǎn)的應(yīng)力、 應(yīng)變變化如圖 12 所示，ΔTj與應(yīng)力、塑性應(yīng)變呈現(xiàn) 完美的正線性關(guān)系，這也解釋了試驗(yàn)組 1 和 5 中器 件 VCE 的增長(zhǎng)速率不同的原因。因?yàn)楣β恃h(huán)過程 中鍵合線大致可分為裂紋形成、裂紋擴(kuò)展等過程， 裂紋擴(kuò)展階段由于裂紋尖端的應(yīng)力作用，VCE通常呈 現(xiàn)指數(shù)式增長(zhǎng)，持續(xù)時(shí)間較短。而裂紋形成階段占 整個(gè)功率循環(huán)階段的 90%，裂紋形成的速率與應(yīng)力 呈正相關(guān)，當(dāng) ΔTj 增加時(shí)，導(dǎo)致鍵合線應(yīng)力的快速 增加，高應(yīng)力作用下鍵合線鍵跟處產(chǎn)生不可逆塑性 變形。在重復(fù)循環(huán)應(yīng)力載荷作用下，局部塑性變形 累積最終形成裂紋進(jìn)而引發(fā)失效。因此，ΔTj對(duì)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(yīng)力、 應(yīng)變分布情況，可以看出，θjmax 的增加對(duì)于鍵合線 應(yīng)力、應(yīng)變幾乎沒有任何影響。主要因?yàn)殇X材料在 即使 200 ℃下都很穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生蠕變，表現(xiàn)為彈 塑性，材料特性決定了鋁在一定區(qū)間內(nèi)不受溫度影 響。當(dāng)然溫度繼續(xù)增加時(shí)，鋁會(huì)表現(xiàn)出軟化等，此 時(shí)則應(yīng)考慮蠕變影響，但 IGBT 的現(xiàn)有極限工作溫 度為 175 ℃，因此，θjmax 對(duì)于鍵合線失效幾乎沒有影響。

? 同樣地，提取焊料表面平均應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)鐖D 14(a) 所示，應(yīng)力變化和結(jié)溫變化趨勢(shì)相同，原因在于應(yīng) 力和 ΔTj 呈正相關(guān)，該關(guān)系由式(3)可以看出。θjmax 相同時(shí)，ΔTj越大，焊料受到的熱應(yīng)力越大，對(duì)應(yīng)的 粘塑性應(yīng)變?cè)酱螅c前述理論分析的結(jié)論一致。

如圖 14（b）所示，ΔTj相同時(shí)，θjmax 為 130 ℃ 時(shí)的應(yīng)力曲線和 150 ℃時(shí)的應(yīng)力曲線幾乎重合，但 θjmax 達(dá)到 180 ℃時(shí)應(yīng)力增長(zhǎng)顯著，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變規(guī)律 也是如此。原因在于焊料這類粘塑性材料也存在穩(wěn) 定期、蠕變期、不穩(wěn)定期三個(gè)階段，通常工程上將 焊料的工作溫度除以熔點(diǎn)溫度定義為焊料的同一溫 度(Thom)。當(dāng) Thom<0.4 時(shí)焊料處于穩(wěn)定期，結(jié)溫增加 對(duì) 于 焊 料 熱 應(yīng) 力 、 應(yīng) 變 不 會(huì) 產(chǎn) 生 影 響 ；當(dāng) 0.40.6 時(shí)， 焊料難以承載機(jī)械載荷[。

以該仿真為例，仿真得到 θjmax 分別為 130、150 和 180 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的焊料平均溫度分別為 112、132 和 168 ℃，SAC305 焊料的熔點(diǎn)溫度一般為 221 ℃， 對(duì)應(yīng) Thom 分別為 0.51、0.60、0.76。因此，當(dāng) θjmax 從 130 ℃增加到 150 ℃時(shí)，應(yīng)變?cè)黾拥幻黠@；θjmax 繼續(xù)增加時(shí)，如圖 14(b)所示，此時(shí)焊料蠕變效應(yīng)明 顯，對(duì)應(yīng)的熱應(yīng)力、粘塑性應(yīng)變也會(huì)增長(zhǎng)；進(jìn)一步 地，當(dāng) θjmax 增加到 200 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)同一溫度達(dá)到 0.83，且未考慮溫度梯度的影響，此時(shí)焊料不僅承 受高熱應(yīng)力，并且高溫輸入會(huì)使材料的應(yīng)變能密度 較高，并驅(qū)動(dòng)晶粒之間發(fā)生位錯(cuò)，并在晶格中增殖、遷移和聚集，使得材料特性發(fā)生改變，大量的位錯(cuò) 最后也會(huì)不斷聚集形成微裂紋，此時(shí)焊料老化速 度明顯加快，如圖 4 試驗(yàn)組熱阻變化曲線所示。因 此，在高溫環(huán)境下，θjmax 對(duì)焊料老化具有顯著影響。θjmax 越高，焊料的蠕變效應(yīng)越明顯，其材料特性也 會(huì)發(fā)生變化，應(yīng)時(shí)刻警惕器件的工作結(jié)溫，避免過 高工作溫度。?

4 結(jié)論??

本文通過理論分析、試驗(yàn)驗(yàn)證、仿真分析研究 了功率循環(huán)試驗(yàn)中不同結(jié)溫條件對(duì)器件失效模式的 影響，得到以下結(jié)論。? 在功率循環(huán)試驗(yàn)中，結(jié)溫波動(dòng)對(duì)鍵合線失效有 顯著影響，最大結(jié)溫對(duì)鍵合線失效沒有影響。結(jié)溫 波動(dòng)越大，鍵合線應(yīng)力、應(yīng)變?cè)酱?，壽命越短，鍵 合線也更容易失效；最大結(jié)溫變化不會(huì)影響鍵合線 應(yīng)力、應(yīng)變，對(duì)壽命也沒有影響。 焊料老化受到結(jié)溫波動(dòng)和最大結(jié)溫兩方面影 響，且二者對(duì)焊料老化都具有顯著影響。

前者通過 改變焊料所受熱應(yīng)力影響其失效，后者通過改變材 料特性影響其失效。但當(dāng)焊料處于穩(wěn)定期時(shí)，最大 結(jié)溫不會(huì)影響焊料老化。? 本文研究成果揭示了結(jié)溫條件對(duì)器件失效模式 影響的機(jī)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(jié)溫波動(dòng)能影響鍵合線失效， 通過控制較高的最大結(jié)溫能影響焊料老化。 本文的研究成果可幫助半導(dǎo)體廠商根據(jù)實(shí)際結(jié) 溫工況針對(duì)性地優(yōu)化應(yīng)用模塊。如某些工況中， 器件結(jié)溫波動(dòng)小(<40 K)，但器件一般工作在額定工 作結(jié)溫附近，此時(shí)焊料成為主要薄弱點(diǎn)。因此半導(dǎo) 體廠商可采用銀燒結(jié)提高焊料可靠性。理清器件的 應(yīng)用工況結(jié)溫條件后，依據(jù)本文提出的結(jié)溫條件對(duì) 器件失效模式的影響規(guī)律，可以針對(duì)性地優(yōu)化器件， 提升整體壽命。

審核編輯：黃飛