目前，國內(nei)外(wai)(wai)對于IGBT器件失(shi)效(xiao)(xiao)的(de)研(yan)究眾多，主要從(cong)兩方(fang)面(mian)入手，一方(fang)面(mian)是考慮(lv)器件自(zi)身的(de)工(gong)作循環(huan)，另一方(fang)面(mian)是考慮(lv)器件的(de)實際工(gong)況(kuang)環(huan)境，研(yan)究表明IGBT失(shi)效(xiao)(xiao)是由內(nei)部工(gong)作循環(huan)及(ji)外(wai)(wai)部工(gong)況(kuang)同時作用導(dao)致的(de)，其失(shi)效(xiao)(xiao)機理復雜，失(shi)效(xiao)(xiao)模式主要分為封裝類失(shi)效(xiao)(xiao)及(ji)芯(xin)片類失(shi)效(xiao)(xiao)，如(ru)圖(tu)2-2所示。

    鍵(jian)(jian)合(he)(he)引(yin)線(xian)(xian)(xian)一般(ban)是通過(guo)超聲(sheng)波(bo)鍵(jian)(jian)合(he)(he)工藝，實現與芯片、DBC板(ban)的(de)(de)(de)連(lian)接(jie)，由(you)于(yu)工作過(guo)程中(zhong)承(cheng)受較大(da)的(de)(de)(de)電流負載，其鍵(jian)(jian)合(he)(he)點(dian)(dian)處為(wei)(wei)IGBT模(mo)塊的(de)(de)(de)薄弱(ruo)環(huan)節(jie)之一。鍵(jian)(jian)合(he)(he)線(xian)(xian)(xian)故障主要包括鍵(jian)(jian)合(he)(he)點(dian)(dian)脫落及鍵(jian)(jian)合(he)(he)線(xian)(xian)(xian)斷(duan)裂(lie)，研(yan)究表明(ming)功率電子(zi)器(qi)件中(zhong)鍵(jian)(jian)合(he)(he)線(xian)(xian)(xian)失效占器(qi)件總(zong)失效的(de)(de)(de)70%左右。隨(sui)著技術發(fa)展，用于(yu)IGBT鍵(jian)(jian)合(he)(he)線(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)材(cai)料特性越(yue)來越(yue)好，鍵(jian)(jian)合(he)(he)線(xian)(xian)(xian)斷(duan)裂(lie)情況很少再發(fa)生，因此(ci)IGBT鍵(jian)(jian)合(he)(he)線(xian)(xian)(xian)故障主要的(de)(de)(de)失效模(mo)式為(wei)(wei)鍵(jian)(jian)合(he)(he)點(dian)(dian)脫落。鍵(jian)(jian)合(he)(he)線(xian)(xian)(xian)脫落如(ru)圖(a)、(b)，由(you)于(yu)鋁(lv)鍵(jian)(jian)合(he)(he)線(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)抗拉極限低，在IGBT正常工作時的(de)(de)(de)功率循環(huan)與溫(wen)度(du)循環(huan)下，因電流通過(guo)產生的(de)(de)(de)熱應力及材(cai)料間(jian)CTE差異引(yin)起的(de)(de)(de)剪切應力，導(dao)致(zhi)鍵(jian)(jian)合(he)(he)線(xian)(xian)(xian)與芯片連(lian)接(jie)處萌生裂(lie)紋，在持續的(de)(de)(de)熱應力或(huo)外部環(huan)境如(ru)振動沖擊影響下，裂(lie)紋擴展，進(jin)而導(dao)致(zhi)IGBT鍵(jian)(jian)合(he)(he)線(xian)(xian)(xian)脫落。

    鍵合引(yin)線在(zai)剪(jian)切應(ying)力(li)(li)作用下裂(lie)紋(wen)擴(kuo)展失效的過程如圖2-4 所(suo)示(shi)，可(ke)以看到裂(lie)紋(wen)萌生(sheng)的部(bu)位產生(sheng)了應(ying)力(li)(li)集中(zhong)(zhong)效應(ying)，導(dao)致(zhi)靠(kao)近裂(lie)紋(wen)位置(zhi)的應(ying)力(li)(li)(σlocal) 要明顯大(da)(da)(da)于其它距離(li)裂(lie)紋(wen)位置(zhi)較遠的應(ying)力(li)(li)(σ)，兩(liang)應(ying)力(li)(li)之間存在(zai)如式(2-1)所(suo)述(shu)關系式。圖2-4中(zhong)(zhong): a表(biao)示(shi)當(dang)前形(xing)(xing)成的裂(lie)紋(wen)長度，r 表(biao)示(shi)到當(dang)前形(xing)(xing)成裂(lie)紋(wen)尖部(bu)的距離(li)大(da)(da)(da)小(xiao)(xiao)。可(ke)以看到，σloca 應(ying)力(li)(li)隨著到裂(lie)紋(wen)尖部(bu)的距離(li)增大(da)(da)(da)而呈現減小(xiao)(xiao)趨勢，當(dang)某一靠(kao)近裂(lie)紋(wen)的位置(zhi)出(chu)現σloca應(ying)力(li)(li)大(da)(da)(da)于鋁(lv)鍵合引(yin)線產生(sheng)的應(ying)力(li)(li)時(shi)，裂(lie)紋(wen)變形(xing)(xing)將(jiang)發生(sheng)擴(kuo)展，進而導(dao)致(zhi)鋁(lv)鍵合引(yin)線與IGBT 芯片(pian)間發生(sheng)脫(tuo)落。同時(shi)，如果需要確定裂(lie)紋(wen)變形(xing)(xing)區域的寬度，我(wo)們可(ke)以在(zai)式(2-1) 和式(2-2) 中(zhong)(zhong)假定σloca=σy,，然(ran)后求解即可(ke)。

    焊(han)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)層主(zhu)要作用(yong)在(zai)(zai)于(yu)連接IGBT器(qi)件(jian)(jian)內部(bu)各層材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)，在(zai)(zai)工(gong)作期間產生(sheng)的(de)(de)熱(re)(re)循環(huan)過程(cheng)中，由于(yu)材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)間CTE差(cha)異，在(zai)(zai)材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)間產生(sheng)交變的(de)(de)剪切熱(re)(re)應力，焊(han)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)層疲(pi)勞(lao)如圖2-5 (a)、 2-5 (b)所(suo)示。在(zai)(zai)上述應力的(de)(de)連續作用(yong)下，導致焊(han)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)層疲(pi)勞(lao)老化，萌生(sheng)裂(lie)紋，進(jin)(jin)而擴展至材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)分(fen)層，同時由于(yu)裂(lie)紋及(ji)分(fen)層的(de)(de)產生(sheng)，焊(han)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)層與各層材料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)間的(de)(de)接觸面積變小(xiao)，模塊熱(re)(re)阻增大，IGBT 器(qi)件(jian)(jian)內溫度進(jin)(jin)一步升高，并加速焊(han)料(liao)(liao)(liao)(liao)(liao)層的(de)(de)失(shi)效，循環(huan)往(wang)復(fu),致使IGBT過熱(re)(re)燒毀。另一方面，不可(ke)避免(mian)的(de)(de)IGBT在(zai)(zai)制造過程(cheng)中由于(yu)其工(gong)藝本身缺陷(xian)，其初始狀態就具有裂(lie)紋或空洞等，這些(xie)工(gong)藝缺陷(xian)在(zai)(zai)熱(re)(re)應力的(de)(de)激發下，同樣將導致器(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)失(shi)效。

    IGBT器件焊(han)料(liao)層疲(pi)勞的(de)擴(kuo)展(zhan)過程與(yu)鍵合引(yin)線裂(lie)(lie)紋(wen)擴(kuo)展(zhan)類似，如圖(tu)2-6所示(shi)(shi)。上圖(tu)所示(shi)(shi)熱剪切(qie)應力作(zuo)用下，焊(han)料(liao)層疲(pi)勞裂(lie)(lie)紋(wen)末(mo)端產(chan)生一個(ge)(ge)不(bu)可恢復區域，同(tong)時在(zai)(zai)熱應力作(zuo)用下，裂(lie)(lie)紋(wen)發生拉長，致使焊(han)料(liao)層生成一個(ge)(ge)包含可恢復變形( △ael )和(he)永(yong)久變形( △apl )新(xin)的(de)表(biao)面。在(zai)(zai)應力σ去除(chu)后，前面形成的(de)可恢復變形將復原(yuan)，但永(yong)久變形部分仍(reng)在(zai)(zai)，致使新(xin)生成的(de)表(biao)面發生擴(kuo)展(zhan)。