圖：IGBT模(mo)塊的結構細(xi)節

    由于功(gong)率循環中(zhong)，硅(gui)芯片的(de)(de)(de)(de)熱機械失配較大(da)，因此功(gong)率循環會(hui)在硅(gui)芯片的(de)(de)(de)(de)金屬(shu)(shu)層上引起重要的(de)(de)(de)(de)周期(qi)性壓縮應(ying)(ying)力(li)和拉(la)伸應(ying)(ying)力(li)。結(jie)果，這種應(ying)(ying)力(li)可(ke)能遠(yuan)遠(yuan)超(chao)過(guo)(guo)彈性極(ji)限，并且它們的(de)(de)(de)(de)變(bian)松可(ke)能通過(guo)(guo)機械過(guo)(guo)程(cheng)發(fa)生，例如(ru)通過(guo)(guo)擴散(san)蠕變(bian)，晶界滑動(dong)或位錯滑行引起的(de)(de)(de)(de)塑性變(bian)形等。這可(ke)能會(hui)導致(zhi)(zhi)鋁晶粒的(de)(de)(de)(de)擠出，也可(ke)能會(hui)導致(zhi)(zhi)晶粒邊界處的(de)(de)(de)(de)氣穴效應(ying)(ying)，也即是空洞(dong)的(de)(de)(de)(de)形成，具(ju)體取決(jue)于金屬(shu)(shu)化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)地，這導致(zhi)(zhi)芯片表(biao)面鋁的(de)(de)(de)(de)重新構造，并導致(zhi)(zhi)其薄層電阻隨時間增(zeng)加(jia)(jia)。這可(ke)以(yi)通過(guo)(guo)測(ce)量(liang)IGBT導通狀態下(xia)的(de)(de)(de)(de)壓降來對其進(jin)行監視。大(da)的(de)(de)(de)(de)電流(liu)幅(fu)度會(hui)加(jia)(jia)速(su)此過(guo)(guo)程(cheng)。芯片金屬(shu)(shu)層的(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)(hua)逐漸增(zeng)加(jia)(jia)了(le)芯片電阻，從而導致(zhi)(zhi)額外的(de)(de)(de)(de)損耗、更(geng)(geng)高的(de)(de)(de)(de)結(jie)溫變(bian)化(hua)(hua)(hua)和鍵合線的(de)(de)(de)(de)粘附性更(geng)(geng)差，從而加(jia)(jia)速(su)了(le)失效的(de)(de)(de)(de)過(guo)(guo)程(cheng)。

    與銅材料和硅芯(xin)片(pian)相比，鋁線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)具(ju)有相對較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)熱膨(peng)脹(zhang)系數(shu)，在高(gao)(gao)額定電(dian)流和開關操作的(de)(de)(de)工(gong)作條件(jian)下，IGBT的(de)(de)(de)引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)鍵(jian)(jian)(jian)(jian)合(he)(he)(he)幾乎暴(bao)露于由(you)硅芯(xin)片(pian)中的(de)(de)(de)功耗和引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)鍵(jian)(jian)(jian)(jian)合(he)(he)(he)本身所造成的(de)(de)(de)整個(ge)(ge)溫度(du)波動(dong)。此(ci)外(wai)，由(you)于集膚效應，整個(ge)(ge)截面(mian)上(shang)的(de)(de)(de)電(dian)流密度(du)分布非常不(bu)均勻(yun)。通(tong)常，引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)鍵(jian)(jian)(jian)(jian)合(he)(he)(he)的(de)(de)(de)失(shi)效主要是由(you)于在焊盤和引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)鍵(jian)(jian)(jian)(jian)合(he)(he)(he)之(zhi)間產生(sheng)的(de)(de)(de)剪切應力引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)起的(de)(de)(de)疲勞而導(dao)致(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)。結果，它(ta)們逐漸與IGBT芯(xin)片(pian)斷開，直到(dao)它(ta)們達(da)到(dao)損壞(huai)/開路狀(zhuang)態(tai)。可(ke)(ke)以(yi)(yi)觀察到(dao)兩種現(xian)(xian)象(xiang)：焊線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)根部(bu)(bu)的(de)(de)(de)裂紋(wen)擴展，即(ji)Heel Crack；或(huo)者焊線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)剝(bo)離(li)，即(ji)Wire bonding lift-off。對于上(shang)一(yi)(yi)種情況，此(ci)問(wen)題(ti)來自沒有優化(hua)(hua)的(de)(de)(de)引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)鍵(jian)(jian)(jian)(jian)合(he)(he)(he)工(gong)藝，該工(gong)藝會機(ji)械(xie)地損壞(huai)引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)鍵(jian)(jian)(jian)(jian)合(he)(he)(he)根部(bu)(bu)，造成產生(sheng)裂紋(wen)。在后者中，引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)鍵(jian)(jian)(jian)(jian)合(he)(he)(he)會老化(hua)(hua)，由(you)于材料之(zhi)間較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)熱膨(peng)脹(zhang)系數(shu)（Coefficient of Thermal Expansion）的(de)(de)(de)不(bu)匹配而導(dao)致(zhi)(zhi)其剝(bo)離(li)。這(zhe)種破(po)壞(huai)始(shi)于引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)鍵(jian)(jian)(jian)(jian)合(he)(he)(he)尾部(bu)(bu)的(de)(de)(de)裂紋(wen)，并(bing)通(tong)過引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)鍵(jian)(jian)(jian)(jian)合(he)(he)(he)和芯(xin)片(pian)上(shang)金(jin)屬之(zhi)間的(de)(de)(de)界面(mian)傳播，直到(dao)完(wan)全剝(bo)離(li)為止(zhi)。可(ke)(ke)以(yi)(yi)通(tong)過測(ce)量接觸電(dian)阻或(huo)電(dian)流內部(bu)(bu)分布的(de)(de)(de)變化(hua)(hua)從外(wai)部(bu)(bu)檢測(ce)失(shi)效的(de)(de)(de)發(fa)展，從而可(ke)(ke)以(yi)(yi)通(tong)過監測(ce)導(dao)通(tong)狀(zhuang)態(tai)下的(de)(de)(de)器(qi)件(jian)壓降(jiang)來跟(gen)蹤失(shi)效的(de)(de)(de)發(fa)展。在IGBT模塊(kuai)中柔軟的(de)(de)(de)硅樹(shu)脂可(ke)(ke)以(yi)(yi)吸收(shou)這(zhe)些機(ji)械(xie)振動(dong)。由(you)于每(mei)個(ge)(ge)芯(xin)片(pian)的(de)(de)(de)額定電(dian)流>10A的(de)(de)(de)IGBT模塊(kuai)具(ju)有多條并(bing)聯的(de)(de)(de)焊線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)，因此(ci)，失(shi)去焊線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)接觸不(bu)會立即(ji)導(dao)致(zhi)(zhi)器(qi)件(jian)失(shi)效。那(nei)些平行的(de)(de)(de)，尚(shang)未完(wan)全破(po)壞(huai)的(de)(de)(de)鍵(jian)(jian)(jian)(jian)合(he)(he)(he)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)現(xian)(xian)在必(bi)須承(cheng)載額外(wai)的(de)(de)(de)電(dian)流，引(yin)(yin)(yin)(yin)(yin)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)鍵(jian)(jian)(jian)(jian)合(he)(he)(he)的(de)(de)(de)焊腳將被(bei)加熱得(de)更(geng)多。因此(ci)，它(ta)們的(de)(de)(de)老化(hua)(hua)過程被(bei)進一(yi)(yi)步加速。在剩下的(de)(de)(de)后一(yi)(yi)個(ge)(ge)鍵(jian)(jian)(jian)(jian)合(he)(he)(he)線(xian)(xian)(xian)(xian)(xian)中，電(dian)流密度(du)將會很高(gao)(gao)，以(yi)(yi)至于芯(xin)片(pian)的(de)(de)(de)金(jin)屬層將開始(shi)熔化(hua)(hua)，會產生(sheng)內部(bu)(bu)電(dian)弧(hu)，并(bing)破(po)壞(huai)芯(xin)片(pian)。

    IGBT的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)個(ge)主要失(shi)(shi)(shi)效機(ji)(ji)理與(yu)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)-機(ji)(ji)械疲勞有(you)(you)關(guan)。關(guan)鍵(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)交界面是(shi)芯片連(lian)接(jie)(jie)(jie)陶(tao)(tao)瓷(ci)基(ji)(ji)板(ban)(ban)(ban)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)Die Attach層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)和(he)陶(tao)(tao)瓷(ci)基(ji)(ji)板(ban)(ban)(ban)與(yu)金(jin)(jin)屬(shu)底(di)板(ban)(ban)(ban)之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)。在(zai)(zai)這樣的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)位置，通常可以(yi)(yi)(yi)發(fa)現(xian)在(zai)(zai)兩個(ge)界面上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)膨脹系數（Coefficient of Thermal Expansion）失(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)嚴(yan)重、并具(ju)有(you)(you)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)溫度(du)(du)擺幅；并且(qie)(qie)對于(yu)(yu)(yu)陶(tao)(tao)瓷(ci)基(ji)(ji)板(ban)(ban)(ban)與(yu)金(jin)(jin)屬(shu)底(di)板(ban)(ban)(ban)接(jie)(jie)(jie)觸(chu)(chu)來說，具(ju)有(you)(you)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)橫(heng)向尺寸。IGBT模(mo)塊中用(yong)作(zuo)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)常用(yong)材料是(shi)錫銀，銦(yin)或錫鉛(qian)合(he)金(jin)(jin)。它(ta)(ta)們(men)具(ju)有(you)(you)出色(se)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電性(xing)能(neng)，并且(qie)(qie)作(zuo)為(wei)(wei)軟焊(han)(han)(han)料，它(ta)(ta)們(men)具(ju)有(you)(you)良好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)流(liu)動特性(xing)。通常，焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)被視為(wei)(wei)一(yi)(yi)(yi)個(ge)單一(yi)(yi)(yi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)均相(xiang)，但事實并非如(ru)(ru)此，因(yin)為(wei)(wei)它(ta)(ta)們(men)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)會(hui)隨(sui)著時間而發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)。例如(ru)(ru)，當將(jiang)(jiang)具(ju)有(you)(you)銅(tong)(tong)(tong)金(jin)(jin)屬(shu)鍍層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)陶(tao)(tao)瓷(ci)基(ji)(ji)板(ban)(ban)(ban)與(yu)標準(zhun)鉛(qian)錫合(he)金(jin)(jin)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)在(zai)(zai)一(yi)(yi)(yi)起時，主要通過(guo)形(xing)成(cheng)靠近銅(tong)(tong)(tong)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)Cu5Sn6合(he)金(jin)(jin)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)相(xiang)來提供鍵(jian)合(he)。在(zai)(zai)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)部(bu)分(fen)形(xing)成(cheng)了另(ling)(ling)外兩個(ge)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)，一(yi)(yi)(yi)個(ge)富錫和(he)一(yi)(yi)(yi)個(ge)富鉛(qian)。在(zai)(zai)加速(su)老(lao)化(hua)測試中，由于(yu)(yu)(yu)合(he)金(jin)(jin)在(zai)(zai)較(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)同源溫度(du)(du)下工(gong)作(zuo)，這些相(xiang)迅速(su)變(bian)粗，從而改變(bian)了其熱(re)(re)機(ji)(ji)械性(xing)能(neng)；由于(yu)(yu)(yu)銅(tong)(tong)(tong)相(xiang)比錫鉛(qian)相(xiang)脆得多，因(yin)此熱(re)(re)機(ji)(ji)械疲勞裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)常在(zai)(zai)富銅(tong)(tong)(tong)合(he)金(jin)(jin)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)間傳播。由于(yu)(yu)(yu)較(jiao)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)膨脹系數（Coefficient of Thermal Expansion）失(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)和(he)較(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)溫度(du)(du)，先在(zai)(zai)緊接(jie)(jie)(jie)在(zai)(zai)陶(tao)(tao)瓷(ci)基(ji)(ji)板(ban)(ban)(ban)下方的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)合(he)金(jin)(jin)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)附近發(fa)現(xian)疲勞裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)。金(jin)(jin)相(xiang)學研究表(biao)明(ming)，裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)在(zai)(zai)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)邊界處(chu)開始(shi)，該處(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)切應(ying)力達到大(da)(da)。另(ling)(ling)外，在(zai)(zai)陶(tao)(tao)瓷(ci)基(ji)(ji)板(ban)(ban)(ban)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)邊緣處(chu)銳角的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)存在(zai)(zai)極(ji)大(da)(da)地(di)促進(jin)了裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)。以(yi)(yi)(yi)上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)程，將(jiang)(jiang)會(hui)導致模(mo)塊的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)阻增加，這會(hui)導致IGBT的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)芯片過(guo)熱(re)(re)，并加快其它(ta)(ta)失(shi)(shi)(shi)效的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)速(su)度(du)(du)，以(yi)(yi)(yi)至(zhi)于(yu)(yu)(yu)它(ta)(ta)們(men)隨(sui)后(hou)會(hui)產生(sheng)失(shi)(shi)(shi)效。盡管大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)接(jie)(jie)(jie)觸(chu)(chu)面積是(shi)金(jin)(jin)屬(shu)底(di)板(ban)(ban)(ban)和(he)陶(tao)(tao)瓷(ci)基(ji)(ji)板(ban)(ban)(ban)背面金(jin)(jin)屬(shu)化(hua)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)，從九十年(nian)代末(mo)開始(shi)，可使(shi)用(yong)相(xiang)對堅硬的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)、并具(ju)有(you)(you)接(jie)(jie)(jie)近陶(tao)(tao)瓷(ci)基(ji)(ji)板(ban)(ban)(ban)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)CTE（如(ru)(ru)AlSiC材料）代替銅(tong)(tong)(tong)作(zuo)為(wei)(wei)基(ji)(ji)板(ban)(ban)(ban)材料，在(zai)(zai)該區域產生(sheng)熱(re)(re)-機(ji)(ji)械應(ying)力可以(yi)(yi)(yi)大(da)(da)大(da)(da)減少。

    功率(lv)循環測試(shi)后，在陶瓷基板邊(bian)(bian)緣處(chu)可(ke)以(yi)觀察到(dao)較(jiao)大(da)面積的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)層。邊(bian)(bian)緣處(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)不連續導致該位置，特別是邊(bian)(bian)角(jiao)處(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)應力(li)峰值。這(zhe)(zhe)是由于這(zhe)(zhe)樣(yang)的(de)(de)(de)(de)(de)事實：粘結(jie)(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)材料可(ke)以(yi)沿無限制(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)方向隨溫(wen)度(du)自由膨脹(zhang)，但是，在材料粘結(jie)(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)界面處(chu)，它們是粘合(he)的(de)(de)(de)(de)(de)，并且(qie)(qie)它們的(de)(de)(de)(de)(de)熱-機械特性(xing)，主要(yao)是楊(yang)氏(shi)模(mo)(mo)量和熱膨脹(zhang)系(xi)數將(jiang)限定(ding)器(qi)件(jian)封裝的(de)(de)(de)(de)(de)形變。因(yin)此，對于較(jiao)高/較(jiao)低(di)的(de)(de)(de)(de)(de)楊(yang)氏(shi)模(mo)(mo)量以(yi)及非常不同的(de)(de)(de)(de)(de)熱膨脹(zhang)系(xi)數和材料厚(hou)度(du)，預期將(jiang)獲得更(geng)多(duo)的(de)(de)(de)(de)(de)局部(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)/分(fen)散(san)的(de)(de)(de)(de)(de)應變，其接(jie)近器(qi)件(jian)封裝邊(bian)(bian)緣處(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)不連續性(xing)，終將(jiang)導致較(jiao)高和局部(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)應力(li)/較(jiao)低(di)且(qie)(qie)分(fen)布更(geng)廣的(de)(de)(de)(de)(de)應力(li)。因(yin)此，斷裂始(shi)于外(wai)(wai)角(jiao)和邊(bian)(bian)緣，并向焊(han)(han)接(jie)材料的(de)(de)(de)(de)(de)中(zhong)擴散(san)，從而吸(xi)收了這(zhe)(zhe)種存儲的(de)(de)(de)(de)(de)機械能。當(dang)一個IGBT模(mo)(mo)塊(kuai)表現出溫(wen)度(du)不均勻并且(qie)(qie)存在高溫(wen)梯度(du)時(shi)，焊(han)(han)接(jie)層的(de)(de)(de)(de)(de)劣化從指(zhi)向達到(dao)較(jiao)高溫(wen)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)模(mo)(mo)塊(kuai)位置的(de)(de)(de)(de)(de)邊(bian)(bian)角(jiao)開始(shi)并向外(wai)(wai)移動。IGBT模(mo)(mo)塊(kuai)Die Attach層的(de)(de)(de)(de)(de)疲勞(lao)(lao)，大(da)多(duo)與鍵合(he)線的(de)(de)(de)(de)(de)損壞一起(qi)出現。整個IGBT模(mo)(mo)塊(kuai)加熱得越多(duo)，焊(han)(han)料連接(jie)所受的(de)(de)(de)(de)(de)應力(li)就越大(da)。焊(han)(han)接(jie)疲勞(lao)(lao)會(hui)導致Rth和芯片溫(wen)度(du)升(sheng)高，進而會(hui)導致更(geng)高的(de)(de)(de)(de)(de)損耗，從而導致IGBT中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)(jie)溫(wen)更(geng)高。加速(su)了被(bei)測IGBT器(qi)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)老化過程。

SAM顯示的焊接(jie)層(ceng)分層(ceng)

作者：王(wang)剛
文章選自：數字化工業軟(ruan)件技術期刊
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