圖：IGBT模塊的結構(gou)細節

    由于功率(lv)循(xun)(xun)環中(zhong)，硅芯(xin)(xin)(xin)片(pian)的(de)(de)(de)(de)熱機械失(shi)配(pei)較(jiao)大(da)(da)，因此功率(lv)循(xun)(xun)環會(hui)在硅芯(xin)(xin)(xin)片(pian)的(de)(de)(de)(de)金(jin)屬層上(shang)引起(qi)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)周期性壓縮應力和(he)拉伸應力。結果，這種應力可能(neng)遠(yuan)遠(yuan)超過(guo)(guo)(guo)(guo)彈性極限，并且它們的(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)(bian)松可能(neng)通(tong)過(guo)(guo)(guo)(guo)機械過(guo)(guo)(guo)(guo)程發生，例如通(tong)過(guo)(guo)(guo)(guo)擴散蠕變(bian)(bian)(bian)，晶(jing)界滑動或位錯滑行引起(qi)的(de)(de)(de)(de)塑性變(bian)(bian)(bian)形等。這可能(neng)會(hui)導致鋁晶(jing)粒(li)的(de)(de)(de)(de)擠出，也(ye)可能(neng)會(hui)導致晶(jing)粒(li)邊界處(chu)的(de)(de)(de)(de)氣穴(xue)效應，也(ye)即(ji)是空(kong)洞的(de)(de)(de)(de)形成(cheng)，具(ju)體取決于金(jin)屬化的(de)(de)(de)(de)質地(di)，這導致芯(xin)(xin)(xin)片(pian)表面鋁的(de)(de)(de)(de)重新構造，并導致其薄(bo)層電阻隨時間增加。這可以(yi)通(tong)過(guo)(guo)(guo)(guo)測量IGBT導通(tong)狀(zhuang)態下的(de)(de)(de)(de)壓降(jiang)來對(dui)其進行監視。大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)電流幅度(du)會(hui)加速(su)此過(guo)(guo)(guo)(guo)程。芯(xin)(xin)(xin)片(pian)金(jin)屬層的(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)(bian)化逐漸(jian)增加了芯(xin)(xin)(xin)片(pian)電阻，從而導致額外的(de)(de)(de)(de)損耗(hao)、更高的(de)(de)(de)(de)結溫(wen)變(bian)(bian)(bian)化和(he)鍵合(he)線(xian)的(de)(de)(de)(de)粘(zhan)附性更差，從而加速(su)了失(shi)效的(de)(de)(de)(de)過(guo)(guo)(guo)(guo)程。

    與(yu)銅材料(liao)和硅(gui)芯片(pian)(pian)(pian)相比，鋁(lv)線(xian)(xian)具有(you)相對較高(gao)(gao)的(de)(de)熱膨脹系數，在(zai)高(gao)(gao)額(e)定(ding)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)和開(kai)關操作的(de)(de)工作條件下(xia)，IGBT的(de)(de)引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)線(xian)(xian)鍵(jian)(jian)合(he)(he)(he)(he)幾(ji)乎暴露(lu)于(yu)由(you)硅(gui)芯片(pian)(pian)(pian)中的(de)(de)功耗和引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)線(xian)(xian)鍵(jian)(jian)合(he)(he)(he)(he)本(ben)身所造(zao)(zao)成的(de)(de)整(zheng)個(ge)溫度(du)(du)波動(dong)。此外(wai)，由(you)于(yu)集膚效應(ying)，整(zheng)個(ge)截面(mian)(mian)上的(de)(de)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)密度(du)(du)分(fen)布(bu)非常不均勻(yun)。通(tong)常，引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)線(xian)(xian)鍵(jian)(jian)合(he)(he)(he)(he)的(de)(de)失(shi)(shi)(shi)效主要是由(you)于(yu)在(zai)焊盤和引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)線(xian)(xian)鍵(jian)(jian)合(he)(he)(he)(he)之間產(chan)(chan)生的(de)(de)剪切應(ying)力引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)起的(de)(de)疲(pi)勞而導致(zhi)的(de)(de)。結果(guo)，它們逐漸與(yu)IGBT芯片(pian)(pian)(pian)斷開(kai)，直到(dao)它們達到(dao)損壞/開(kai)路狀態。可以(yi)(yi)觀(guan)察到(dao)兩種現象：焊線(xian)(xian)根部的(de)(de)裂(lie)紋(wen)(wen)擴展，即(ji)Heel Crack；或者焊線(xian)(xian)的(de)(de)剝離，即(ji)Wire bonding lift-off。對于(yu)上一(yi)(yi)種情況，此問題來(lai)自沒(mei)有(you)優化(hua)的(de)(de)引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)線(xian)(xian)鍵(jian)(jian)合(he)(he)(he)(he)工藝，該工藝會機械(xie)地損壞引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)線(xian)(xian)鍵(jian)(jian)合(he)(he)(he)(he)根部，造(zao)(zao)成產(chan)(chan)生裂(lie)紋(wen)(wen)。在(zai)后者中，引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)線(xian)(xian)鍵(jian)(jian)合(he)(he)(he)(he)會老化(hua)，由(you)于(yu)材料(liao)之間較高(gao)(gao)的(de)(de)熱膨脹系數（Coefficient of Thermal Expansion）的(de)(de)不匹(pi)配而導致(zhi)其(qi)剝離。這種破(po)壞始于(yu)引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)線(xian)(xian)鍵(jian)(jian)合(he)(he)(he)(he)尾部的(de)(de)裂(lie)紋(wen)(wen)，并通(tong)過(guo)引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)線(xian)(xian)鍵(jian)(jian)合(he)(he)(he)(he)和芯片(pian)(pian)(pian)上金屬(shu)之間的(de)(de)界面(mian)(mian)傳播(bo)，直到(dao)完全(quan)剝離為止(zhi)。可以(yi)(yi)通(tong)過(guo)測量(liang)接(jie)觸電(dian)(dian)阻或電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)內(nei)(nei)部分(fen)布(bu)的(de)(de)變化(hua)從(cong)(cong)外(wai)部檢測失(shi)(shi)(shi)效的(de)(de)發展，從(cong)(cong)而可以(yi)(yi)通(tong)過(guo)監測導通(tong)狀態下(xia)的(de)(de)器件壓降(jiang)來(lai)跟蹤失(shi)(shi)(shi)效的(de)(de)發展。在(zai)IGBT模塊(kuai)(kuai)中柔軟的(de)(de)硅(gui)樹脂可以(yi)(yi)吸收這些機械(xie)振動(dong)。由(you)于(yu)每個(ge)芯片(pian)(pian)(pian)的(de)(de)額(e)定(ding)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)>10A的(de)(de)IGBT模塊(kuai)(kuai)具有(you)多(duo)條并聯的(de)(de)焊線(xian)(xian)，因此，失(shi)(shi)(shi)去(qu)焊線(xian)(xian)接(jie)觸不會立即(ji)導致(zhi)器件失(shi)(shi)(shi)效。那些平行(xing)的(de)(de)，尚未完全(quan)破(po)壞的(de)(de)鍵(jian)(jian)合(he)(he)(he)(he)線(xian)(xian)現在(zai)必須承載額(e)外(wai)的(de)(de)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)，引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)線(xian)(xian)鍵(jian)(jian)合(he)(he)(he)(he)的(de)(de)焊腳將(jiang)(jiang)被加(jia)熱得更多(duo)。因此，它們的(de)(de)老化(hua)過(guo)程被進一(yi)(yi)步加(jia)速。在(zai)剩下(xia)的(de)(de)后一(yi)(yi)個(ge)鍵(jian)(jian)合(he)(he)(he)(he)線(xian)(xian)中，電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)密度(du)(du)將(jiang)(jiang)會很高(gao)(gao)，以(yi)(yi)至于(yu)芯片(pian)(pian)(pian)的(de)(de)金屬(shu)層將(jiang)(jiang)開(kai)始熔(rong)化(hua)，會產(chan)(chan)生內(nei)(nei)部電(dian)(dian)弧，并破(po)壞芯片(pian)(pian)(pian)。

    IGBT的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)個(ge)(ge)(ge)主要(yao)失(shi)(shi)效(xiao)機(ji)理與焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)-機(ji)械疲(pi)勞(lao)有關。關鍵的(de)(de)(de)(de)(de)交界(jie)面(mian)是(shi)(shi)芯片連接(jie)(jie)(jie)陶(tao)(tao)瓷基板(ban)(ban)的(de)(de)(de)(de)(de)Die Attach層(ceng)和(he)陶(tao)(tao)瓷基板(ban)(ban)與金屬(shu)(shu)底板(ban)(ban)之間的(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)層(ceng)。在(zai)(zai)(zai)這樣(yang)的(de)(de)(de)(de)(de)位置，通常(chang)可(ke)(ke)(ke)以發現(xian)在(zai)(zai)(zai)兩個(ge)(ge)(ge)界(jie)面(mian)上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)膨脹系數（Coefficient of Thermal Expansion）失(shi)(shi)配(pei)嚴重、并(bing)(bing)具(ju)有大(da)(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)溫(wen)度擺幅；并(bing)(bing)且對于(yu)(yu)(yu)陶(tao)(tao)瓷基板(ban)(ban)與金屬(shu)(shu)底板(ban)(ban)接(jie)(jie)(jie)觸(chu)(chu)來說，具(ju)有大(da)(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)橫(heng)向尺(chi)寸。IGBT模塊中用作(zuo)(zuo)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)常(chang)用材(cai)(cai)料(liao)是(shi)(shi)錫(xi)(xi)銀，銦(yin)或(huo)錫(xi)(xi)鉛合(he)(he)(he)金。它(ta)(ta)們具(ju)有出色的(de)(de)(de)(de)(de)電性能(neng)(neng)，并(bing)(bing)且作(zuo)(zuo)為(wei)軟焊(han)(han)料(liao)，它(ta)(ta)們具(ju)有良好的(de)(de)(de)(de)(de)流動特性。通常(chang)，焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)層(ceng)被視為(wei)一(yi)個(ge)(ge)(ge)單一(yi)的(de)(de)(de)(de)(de)均相(xiang)(xiang)，但事實并(bing)(bing)非如(ru)此(ci)，因(yin)為(wei)它(ta)(ta)們的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)會(hui)(hui)隨(sui)著時(shi)間而發生(sheng)變(bian)化(hua)。例如(ru)，當將具(ju)有銅(tong)金屬(shu)(shu)鍍(du)層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)陶(tao)(tao)瓷基板(ban)(ban)與標準鉛錫(xi)(xi)合(he)(he)(he)金焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)在(zai)(zai)(zai)一(yi)起時(shi)，主要(yao)通過形成靠近(jin)銅(tong)層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)Cu5Sn6合(he)(he)(he)金層(ceng)相(xiang)(xiang)來提供(gong)鍵合(he)(he)(he)。在(zai)(zai)(zai)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)部分(fen)形成了(le)(le)另外(wai)兩個(ge)(ge)(ge)不同的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)，一(yi)個(ge)(ge)(ge)富錫(xi)(xi)和(he)一(yi)個(ge)(ge)(ge)富鉛。在(zai)(zai)(zai)加速老化(hua)測試中，由(you)于(yu)(yu)(yu)合(he)(he)(he)金在(zai)(zai)(zai)較(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)同源(yuan)溫(wen)度下工(gong)作(zuo)(zuo)，這些相(xiang)(xiang)迅速變(bian)粗(cu)，從而改變(bian)了(le)(le)其(qi)(qi)熱(re)機(ji)械性能(neng)(neng)；由(you)于(yu)(yu)(yu)銅(tong)相(xiang)(xiang)比錫(xi)(xi)鉛相(xiang)(xiang)脆(cui)得多，因(yin)此(ci)熱(re)機(ji)械疲(pi)勞(lao)裂(lie)紋常(chang)在(zai)(zai)(zai)富銅(tong)合(he)(he)(he)金層(ceng)間傳播。由(you)于(yu)(yu)(yu)較(jiao)大(da)(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)膨脹系數（Coefficient of Thermal Expansion）失(shi)(shi)配(pei)和(he)較(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)溫(wen)度，先(xian)在(zai)(zai)(zai)緊(jin)接(jie)(jie)(jie)在(zai)(zai)(zai)陶(tao)(tao)瓷基板(ban)(ban)下方的(de)(de)(de)(de)(de)合(he)(he)(he)金層(ceng)附近(jin)發現(xian)疲(pi)勞(lao)裂(lie)紋。金相(xiang)(xiang)學研究表(biao)明，裂(lie)紋在(zai)(zai)(zai)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)邊界(jie)處開(kai)始，該(gai)(gai)處的(de)(de)(de)(de)(de)切(qie)應(ying)力達到(dao)大(da)(da)(da)。另外(wai)，在(zai)(zai)(zai)陶(tao)(tao)瓷基板(ban)(ban)的(de)(de)(de)(de)(de)邊緣處銳角(jiao)的(de)(de)(de)(de)(de)存(cun)在(zai)(zai)(zai)極大(da)(da)(da)地促進了(le)(le)裂(lie)紋的(de)(de)(de)(de)(de)形成。以上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)過程，將會(hui)(hui)導致(zhi)(zhi)模塊的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)阻(zu)增加，這會(hui)(hui)導致(zhi)(zhi)IGBT的(de)(de)(de)(de)(de)芯片過熱(re)，并(bing)(bing)加快其(qi)(qi)它(ta)(ta)失(shi)(shi)效(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)速度，以至于(yu)(yu)(yu)它(ta)(ta)們隨(sui)后(hou)會(hui)(hui)產生(sheng)失(shi)(shi)效(xiao)。盡管(guan)大(da)(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)接(jie)(jie)(jie)觸(chu)(chu)面(mian)積是(shi)(shi)金屬(shu)(shu)底板(ban)(ban)和(he)陶(tao)(tao)瓷基板(ban)(ban)背面(mian)金屬(shu)(shu)化(hua)層(ceng)之間的(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)層(ceng)，從九十(shi)年代(dai)末開(kai)始，可(ke)(ke)(ke)使用相(xiang)(xiang)對堅(jian)硬的(de)(de)(de)(de)(de)、并(bing)(bing)具(ju)有接(jie)(jie)(jie)近(jin)陶(tao)(tao)瓷基板(ban)(ban)的(de)(de)(de)(de)(de)CTE（如(ru)AlSiC材(cai)(cai)料(liao)）代(dai)替(ti)銅(tong)作(zuo)(zuo)為(wei)基板(ban)(ban)材(cai)(cai)料(liao)，在(zai)(zai)(zai)該(gai)(gai)區域產生(sheng)熱(re)-機(ji)械應(ying)力可(ke)(ke)(ke)以大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)減少。

    功率(lv)循環測試(shi)后，在陶瓷基板(ban)邊(bian)緣(yuan)處(chu)可以觀察到較(jiao)(jiao)大面(mian)積的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)層。邊(bian)緣(yuan)處(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)連續導(dao)致(zhi)該位(wei)置，特別是(shi)(shi)邊(bian)角(jiao)處(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)力峰值。這是(shi)(shi)由于這樣(yang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)事實：粘(zhan)(zhan)結(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)料(liao)(liao)可以沿無限制的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)向隨(sui)溫(wen)度(du)自由膨(peng)脹，但是(shi)(shi)，在材(cai)料(liao)(liao)粘(zhan)(zhan)結(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)界面(mian)處(chu)，它們是(shi)(shi)粘(zhan)(zhan)合的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，并且(qie)它們的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱-機(ji)械特性(xing)，主要是(shi)(shi)楊(yang)氏模量(liang)和(he)熱膨(peng)脹系(xi)數(shu)將(jiang)限定器件(jian)(jian)封裝的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形變。因此，對于較(jiao)(jiao)高/較(jiao)(jiao)低的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)楊(yang)氏模量(liang)以及非(fei)常不(bu)(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱膨(peng)脹系(xi)數(shu)和(he)材(cai)料(liao)(liao)厚度(du)，預期將(jiang)獲得更(geng)多的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)局(ju)部的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)/分(fen)散(san)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)變，其(qi)接(jie)近器件(jian)(jian)封裝邊(bian)緣(yuan)處(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)連續性(xing)，終(zhong)將(jiang)導(dao)致(zhi)較(jiao)(jiao)高和(he)局(ju)部的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)力/較(jiao)(jiao)低且(qie)分(fen)布更(geng)廣的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)力。因此，斷裂(lie)始(shi)于外角(jiao)和(he)邊(bian)緣(yuan)，并向焊(han)(han)(han)接(jie)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)中擴散(san)，從而吸收了(le)這種存儲的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)械能(neng)。當一個IGBT模塊(kuai)表現出溫(wen)度(du)不(bu)(bu)均勻并且(qie)存在高溫(wen)梯度(du)時，焊(han)(han)(han)接(jie)層的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)劣化從指向達(da)到較(jiao)(jiao)高溫(wen)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)模塊(kuai)位(wei)置的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)邊(bian)角(jiao)開始(shi)并向外移(yi)動。IGBT模塊(kuai)Die Attach層的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)疲勞，大多與鍵合線的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)損(sun)壞(huai)一起出現。整個IGBT模塊(kuai)加(jia)熱得越多，焊(han)(han)(han)料(liao)(liao)連接(jie)所受的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)力就(jiu)越大。焊(han)(han)(han)接(jie)疲勞會導(dao)致(zhi)Rth和(he)芯片溫(wen)度(du)升高，進(jin)而會導(dao)致(zhi)更(geng)高的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)損(sun)耗，從而導(dao)致(zhi)IGBT中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)溫(wen)更(geng)高。加(jia)速了(le)被測IGBT器件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)老化過程。

SAM顯示的(de)焊(han)接層(ceng)(ceng)分層(ceng)(ceng)

作者：王剛
文章選自(zi)：數字化工業(ye)軟件技術(shu)期(qi)刊
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