目(mu)前，國內(nei)(nei)外對(dui)于IGBT器(qi)件(jian)失效(xiao)(xiao)的(de)研究眾(zhong)多(duo)，主要從兩方(fang)面(mian)入手，一(yi)(yi)方(fang)面(mian)是考(kao)慮器(qi)件(jian)自身(shen)的(de)工(gong)(gong)作循(xun)環(huan)，另一(yi)(yi)方(fang)面(mian)是考(kao)慮器(qi)件(jian)的(de)實(shi)際(ji)工(gong)(gong)況環(huan)境，研究表明IGBT失效(xiao)(xiao)是由(you)內(nei)(nei)部工(gong)(gong)作循(xun)環(huan)及外部工(gong)(gong)況同(tong)時作用導致的(de)，其失效(xiao)(xiao)機(ji)理復雜，失效(xiao)(xiao)模式主要分為(wei)封裝類(lei)失效(xiao)(xiao)及芯片類(lei)失效(xiao)(xiao)，如圖2-2所示。

    一方面IGBT在工作(zuo)時，通常開關(guan)頻率高，在持續的功率循環作(zuo)用下，由于(yu)功率損耗，產(chan)生(sheng)出大(da)量熱(re)(re)量，在模(mo)塊內(nei)如不能(neng)得到及時的散熱(re)(re)，繼而(er)(er)導致(zhi)模(mo)塊內(nei)部溫度升高。由于(yu)IGBT器件(jian)主要由各種材料(liao)的層(ceng)結構(gou)組(zu)成，材料(liao)間熱(re)(re)膨脹系數(CTE)差異大(da)，器件(jian)內(nei)部溫度升高從而(er)(er)使得材料(liao)間產(chan)生(sheng)交變(bian)的剪切(qie)應力造成熱(re)(re)變(bian)形。
    另一方(fang)面，對于某些IGBT，如(ru)(ru)用(yong)于航(hang)天(tian)任(ren)(ren)務的(de)(de)功率(lv)(lv)電子器件IGBT，所(suo)處的(de)(de)工況環境(jing)惡劣，同時所(suo)經歷的(de)(de)任(ren)(ren)務載荷復雜，其失(shi)效維護困(kun)難，這一類的(de)(de)IGBT模塊除了高密度的(de)(de)功率(lv)(lv)循環內部(bu)工作條件外(wai)，同時要承受高低溫環境(jing)、機(ji)械振動及太空輻(fu)射(she)等外(wai)部(bu)環境(jing)影(ying)響，惡劣的(de)(de)工作環境(jing)將(jiang)加速器件由于工作循環導致的(de)(de)失(shi)效影(ying)響，如(ru)(ru)加速IGBT模塊由于功率(lv)(lv)循環熱應(ying)力導致的(de)(de)疲勞(lao)裂(lie)紋擴展，振動沖擊致使IGBT封裝鍵合線斷裂(lie)等。
    (1)IGBT器件封裝類(lei)失效(xiao)
    為了滿足(zu)大電流的工程(cheng)應用(yong)需求(qiu)，IGBT 器(qi)(qi)(qi)件(jian)通常(chang)由幾個IGBT芯片(pian)并聯封裝(zhuang)成(cheng)一個模塊，封裝(zhuang)對于IGBT器(qi)(qi)(qi)件(jian)來說(shuo)，至關重要(yao)，既要(yao)實現器(qi)(qi)(qi)件(jian)與外部電路的連通，同時(shi)又要(yao)保證IGBT器(qi)(qi)(qi)件(jian)結(jie)構及(ji)工作性能的穩(wen)定，免(mian)受外部環(huan)境的機械損傷(shang)及(ji)空氣(qi)氧化。IGBT 器(qi)(qi)(qi)件(jian)封裝(zhuang)類(lei)失(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)可分為兩類(lei):與鍵合線相關的失(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)、與焊料層相關的失(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)。
    ①鍵合線相(xiang)關失效

    鍵(jian)(jian)合(he)引(yin)線(xian)(xian)(xian)一般是(shi)通過超聲波鍵(jian)(jian)合(he)工藝，實現與(yu)芯(xin)片、DBC板的(de)(de)連(lian)接，由于工作過程中(zhong)承(cheng)受較大的(de)(de)電(dian)流(liu)負載，其(qi)鍵(jian)(jian)合(he)點(dian)處(chu)為IGBT模塊的(de)(de)薄(bo)弱環(huan)節之(zhi)一。鍵(jian)(jian)合(he)線(xian)(xian)(xian)故障(zhang)(zhang)主要包(bao)括鍵(jian)(jian)合(he)點(dian)脫落及(ji)鍵(jian)(jian)合(he)線(xian)(xian)(xian)斷(duan)裂(lie)(lie)，研(yan)究表明功(gong)率電(dian)子(zi)器(qi)(qi)件中(zhong)鍵(jian)(jian)合(he)線(xian)(xian)(xian)失效(xiao)占器(qi)(qi)件總(zong)失效(xiao)的(de)(de)70%左右(you)。隨(sui)著技術發展，用于IGBT鍵(jian)(jian)合(he)線(xian)(xian)(xian)的(de)(de)材料特(te)性越(yue)來越(yue)好，鍵(jian)(jian)合(he)線(xian)(xian)(xian)斷(duan)裂(lie)(lie)情況很少再發生，因(yin)此(ci)IGBT鍵(jian)(jian)合(he)線(xian)(xian)(xian)故障(zhang)(zhang)主要的(de)(de)失效(xiao)模式為鍵(jian)(jian)合(he)點(dian)脫落。鍵(jian)(jian)合(he)線(xian)(xian)(xian)脫落如(ru)圖(a)、(b)，由于鋁(lv)鍵(jian)(jian)合(he)線(xian)(xian)(xian)的(de)(de)抗(kang)拉極限低，在(zai)IGBT正常工作時的(de)(de)功(gong)率循環(huan)與(yu)溫度循環(huan)下(xia)，因(yin)電(dian)流(liu)通過產生的(de)(de)熱(re)應(ying)力及(ji)材料間CTE差異引(yin)起的(de)(de)剪切應(ying)力，導(dao)致鍵(jian)(jian)合(he)線(xian)(xian)(xian)與(yu)芯(xin)片連(lian)接處(chu)萌生裂(lie)(lie)紋，在(zai)持續的(de)(de)熱(re)應(ying)力或外部環(huan)境如(ru)振動(dong)沖擊影響下(xia)，裂(lie)(lie)紋擴(kuo)展，進而導(dao)致IGBT鍵(jian)(jian)合(he)線(xian)(xian)(xian)脫落。

    鍵(jian)(jian)合(he)引線(xian)(xian)在剪(jian)切應(ying)力(li)作用下裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)擴(kuo)(kuo)展失效的(de)過程(cheng)如(ru)圖(tu)2-4 所示(shi)，可(ke)以看(kan)到裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)萌生(sheng)的(de)部(bu)位(wei)(wei)產生(sheng)了(le)應(ying)力(li)集(ji)中(zhong)效應(ying)，導(dao)致(zhi)靠近裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)的(de)應(ying)力(li)(σlocal) 要明(ming)顯大(da)于其它距離裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)較(jiao)遠(yuan)的(de)應(ying)力(li)(σ)，兩應(ying)力(li)之間(jian)存在如(ru)式(2-1)所述(shu)關系(xi)式。圖(tu)2-4中(zhong): a表示(shi)當前形成的(de)裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)長度，r 表示(shi)到當前形成裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)尖(jian)部(bu)的(de)距離大(da)小。可(ke)以看(kan)到，σloca 應(ying)力(li)隨(sui)著到裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)尖(jian)部(bu)的(de)距離增大(da)而呈現(xian)(xian)減小趨勢，當某一(yi)靠近裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)的(de)位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)出(chu)現(xian)(xian)σloca應(ying)力(li)大(da)于鋁鍵(jian)(jian)合(he)引線(xian)(xian)產生(sheng)的(de)應(ying)力(li)時(shi)，裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)變形將發(fa)生(sheng)擴(kuo)(kuo)展，進而導(dao)致(zhi)鋁鍵(jian)(jian)合(he)引線(xian)(xian)與IGBT 芯片間(jian)發(fa)生(sheng)脫落。同時(shi)，如(ru)果(guo)需要確定裂(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)變形區域的(de)寬度，我們可(ke)以在式(2-1) 和式(2-2) 中(zhong)假定σloca=σy,，然(ran)后求解(jie)即可(ke)。

    ②焊料層相(xiang)關失效(xiao)

    焊料(liao)(liao)(liao)層(ceng)(ceng)(ceng)主要作用在(zai)于(yu)(yu)連接(jie)IGBT器件(jian)(jian)內(nei)部各層(ceng)(ceng)(ceng)材料(liao)(liao)(liao)，在(zai)工(gong)作期間產生(sheng)的(de)(de)熱(re)循環過(guo)(guo)程(cheng)中，由(you)于(yu)(yu)材料(liao)(liao)(liao)間CTE差(cha)異，在(zai)材料(liao)(liao)(liao)間產生(sheng)交變(bian)的(de)(de)剪切熱(re)應力，焊料(liao)(liao)(liao)層(ceng)(ceng)(ceng)疲勞(lao)如圖(tu)2-5 (a)、 2-5 (b)所示。在(zai)上述應力的(de)(de)連續作用下，導致(zhi)焊料(liao)(liao)(liao)層(ceng)(ceng)(ceng)疲勞(lao)老化，萌生(sheng)裂紋，進而擴展(zhan)至(zhi)材料(liao)(liao)(liao)分(fen)層(ceng)(ceng)(ceng)，同(tong)時由(you)于(yu)(yu)裂紋及分(fen)層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)產生(sheng)，焊料(liao)(liao)(liao)層(ceng)(ceng)(ceng)與各層(ceng)(ceng)(ceng)材料(liao)(liao)(liao)間的(de)(de)接(jie)觸(chu)面(mian)積變(bian)小，模塊熱(re)阻增大(da)，IGBT 器件(jian)(jian)內(nei)溫(wen)度進一(yi)步升高，并加速(su)焊料(liao)(liao)(liao)層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)失效，循環往(wang)復,致(zhi)使IGBT過(guo)(guo)熱(re)燒毀。另一(yi)方面(mian)，不可避免的(de)(de)IGBT在(zai)制造(zao)過(guo)(guo)程(cheng)中由(you)于(yu)(yu)其工(gong)藝本(ben)身缺(que)陷，其初始狀態就具(ju)有裂紋或空洞等，這些工(gong)藝缺(que)陷在(zai)熱(re)應力的(de)(de)激發(fa)下，同(tong)樣(yang)將導致(zhi)器件(jian)(jian)的(de)(de)失效。

    IGBT器件焊(han)料(liao)層疲(pi)勞(lao)的擴展過(guo)程(cheng)與鍵合引線(xian)裂紋(wen)擴展類似，如圖(tu)2-6所示。上圖(tu)所示熱剪切應力(li)作(zuo)用(yong)下(xia)(xia)，焊(han)料(liao)層疲(pi)勞(lao)裂紋(wen)末端產生一(yi)個不可恢復(fu)區(qu)域，同時(shi)在熱應力(li)作(zuo)用(yong)下(xia)(xia)，裂紋(wen)發生拉長，致使焊(han)料(liao)層生成(cheng)(cheng)一(yi)個包含可恢復(fu)變(bian)形( △ael )和永久(jiu)變(bian)形( △apl )新(xin)的表(biao)(biao)面。在應力(li)σ去除后(hou)，前面形成(cheng)(cheng)的可恢復(fu)變(bian)形將復(fu)原，但永久(jiu)變(bian)形部分仍在，致使新(xin)生成(cheng)(cheng)的表(biao)(biao)面發生擴展。

    (2) IGBT器件芯片類(lei)失效
    IGBT模(mo)塊中與芯片相關的失效主(zhu)要有:電(dian)(dian)過應力、靜(jing)電(dian)(dian)荷放電(dian)(dian)、離(li)子污染、電(dian)(dian)子遷移、輻射損傷等。
    ①電(dian)過應(ying)力(li)
    過(guo)(guo)電(dian)壓(ya)失(shi)(shi)效原因主(zhu)要(yao)有兩點，一方(fang)面由(you)于(yu)靜電(dian)聚積在柵(zha)極發(fa)射極電(dian)容Cge 上引(yin)起(qi)過(guo)(guo)壓(ya)，另一方(fang)面為電(dian)容米(mi)勒效應(ying)引(yin)起(qi)的(de)(de)柵(zha)極過(guo)(guo)壓(ya)，兩者都會使柵(zha)氧(yang)化層擊穿而(er)導致失(shi)(shi)效。IGBT的(de)(de)過(guo)(guo)電(dian)流(liu)失(shi)(shi)效主(zhu)要(yao)是由(you)于(yu)導通(tong)期(qi)間出(chu)現浪涌或發(fa)生短路故障時，熱電(dian)載流(liu)子成(cheng)倍增加(jia)，引(yin)起(qi)過(guo)(guo)電(dian)流(liu)的(de)(de)發(fa)生，過(guo)(guo)電(dian)流(liu)進而(er)導致過(guo)(guo)電(dian)壓(ya)，過(guo)(guo)電(dian)壓(ya)又反過(guo)(guo)來(lai)引(yin)起(qi)過(guo)(guo)電(dian)流(liu)，終導致器件功率損耗(hao)增大，結溫升高，IGBT芯(xin)片發(fa)生燒毀。
    ②靜電荷放電
    靜電放電(Electro-Static discharge， ESD)容易(yi)造成IGBT柵氧化層穿透，致使IGBT發(fa)生(sheng)短路(lu)失效。但發(fa)生(sheng)靜電擊穿柵氧化層的器件仍然可以正(zheng)常(chang)工作，且不好監(jian)測，只(zhi)有器件工作一旦時間后，靜電失效才會慢慢顯現(xian)出(chu)來，進(jin)而(er)嚴重影響器件的使用(yong)性能。
    ③離子(zi)污染
    離子污(wu)染通常是由器件(jian)制(zhi)造(zao)(zao)封裝過程(cheng)中(zhong)引(yin)入的(de)(de)灰塵(chen)、水汽及(ji)其它微小雜質造(zao)(zao)成的(de)(de)，主(zhu)要(yao)引(yin)起IGBT器件(jian)發生電流泄露(lu)，同時影響器件(jian)的(de)(de)輸出特性，終致使器件(jian)短路失效。
    ④電子遷移(yi)
    電子遷移通常指的是因電流(liu)通過，金屬導(dao)線的組成離子，隨電流(liu)方向，發生流(liu)動，造成金屬導(dao)線中離子分(fen)布不均，局部出現空(kong)洞(dong)及小丘，從而導(dao)致(zhi)IGBT器(qi)件發生短(duan)路、斷路及參數(shu)退(tui)化等(deng)失效(xiao)模(mo)式。
    ⑤輻射(she)損傷
    航天工況環境的(de)(de)IGBT，由于宇宙輻射(she)的(de)(de)影響，輻射(she)中所(suo)含的(de)(de)多種高能粒子與IGBT器件內氧(yang)化物結合引起電離，導致器件因(yin)參數漂移發生失效。