失效率是可靠性最重要的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，所以研究IGBT的失效模式和機(jī)理對提高IGBT的可靠性有指導(dǎo)作用。歡迎識(shí)別二維碼加入IGBT產(chǎn)業(yè)鏈微信群及通訊錄。
壓接型IGBT器件與焊接式IGBT模塊封裝形式的差異最終導(dǎo)致兩種IGBT器件的失效形式和失效機(jī)理的不同，如表1所示。本文針對兩種不同封裝形式IGBT器件的主要失效形式和失效機(jī)理進(jìn)行分析。
封裝材料的性能是決定模塊性能的基礎(chǔ)，尤其是封裝材料的可靠性對模塊的可靠性具有非常重要的影響，其中最主要的指標(biāo)是熱膨脹系數(shù)，其次是電導(dǎo)、熱容和熱導(dǎo)率等。材料熱膨脹系數(shù)的不同往往是造成模塊失效的根本原因。
IGBT會(huì)在不同條件下產(chǎn)生溫度波動(dòng)，材料熱膨脹系數(shù)的不同會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力不同，從而對器件內(nèi)部產(chǎn)生影響。所以相鄰界面材料的熱膨脹系數(shù)差異應(yīng)盡可能小。焊接式IGBT模塊封裝常用材料的熱膨脹系數(shù)(α)如圖1所示。
焊接式IGBT模塊的失效模式中，鍵合引線的脫落是最容易發(fā)生的，有資料表明引線的脫落可以占到IGBT模塊失效的70%左右。如圖2所示，鍵合引線一般是鋁引線，在引線長期受熱應(yīng)力反復(fù)作用達(dá)到一定程度后，電流快速流過時(shí)發(fā)生電弧閃絡(luò)，就會(huì)造成鍵合線剝落脫離，在鍵合線與芯片相接觸部分的界面上產(chǎn)生焊坑，并且可以在芯片上檢測到焊料殘留。
如圖3所示，其實(shí)在焊線脫離之前，由于功率循環(huán)的作用，剪切應(yīng)力不斷施加在界面上，會(huì)導(dǎo)致焊料層因材料疲勞出現(xiàn)裂紋，裂紋生長甚至出現(xiàn)分層、空洞或氣泡，并最終導(dǎo)致引線的脫落。
改進(jìn)焊接的工藝，如利用超聲鍵合技術(shù)和利用銅引線鍵合技術(shù)可以顯著提高引線的粘附質(zhì)量。利用銀燒結(jié)技術(shù)和在焊線上涂聚酰亞胺也會(huì)實(shí)現(xiàn)很好的功率循環(huán)能力，一定程度提高焊線和焊層的壽命。
1.2焊接層疲勞
焊料層疲勞也是一種常見的焊接式IGBT模塊失效模式。所謂的焊料疲勞是由于焊層與接觸面斷裂或分層，造成器件的熱阻增加，加快了器件整體的失效，如圖4 所示。圖5 為1200V/150A IGBT芯片工作時(shí)表面的溫度分布，芯片對角線的溫度梯度差達(dá)到了40℃，焊料界面退化的直接原因是由于熱膨脹系數(shù)的差別引起的高應(yīng)力。焊料界面的斷裂增加了相應(yīng)芯片區(qū)域的局部熱阻，從而使芯片溫度局部增加。
如果斷裂從邊緣開始，溫度相對較低的芯片區(qū)域溫度增加，而芯片中心最高溫度保持不變。當(dāng)斷裂從中心最高溫度開始時(shí)，芯片中心最高溫度會(huì)迅速增加。這種正反饋循環(huán)加速會(huì)加快整個(gè)界面焊料層的疲勞進(jìn)度，因而會(huì)降低功率模塊的壽命。
1.3金屬化重建
焊接式IGBT模塊經(jīng)歷反復(fù)溫度波動(dòng)后會(huì)在金屬化的鋁層中出現(xiàn)顆粒狀的結(jié)構(gòu)。在結(jié)溫高于110℃時(shí)，溫度循環(huán)加熱階段的周期性應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致顆粒超過其彈性應(yīng)變極限，從而導(dǎo)致塑性變形。利用掃描聲學(xué)顯微鏡(SAM)可以很好地檢測，圖6給出了功率循環(huán)期間各種不同溫度的影響。圖6(a)給出了3200000個(gè)功率循環(huán)，在85～125℃時(shí)的IGBT表面金屬化圖像;圖6(b)給出了7250個(gè)功率循環(huán)，功率循環(huán)溫度差ΔT=131K，θhigh=171℃時(shí)IGBT表面金屬化圖像;圖6(c)給出了16800個(gè)功率循環(huán)，40～200℃后二極管的表面金屬化圖像。
接觸面的金屬層重建導(dǎo)致接觸電阻增加是產(chǎn)生故障的根本原因。比如經(jīng)過幾百次功率循環(huán)后，AlN襯底上的鋁層厚度可以達(dá)到300μm，界面的表面粗糙度增加超過10倍。有研究表明引線鍵合邊緣部分下面的重建效應(yīng)被抑制，原因是聚酰亞胺覆蓋層抑制了表面金屬化重建，因?yàn)槿魏胃采w層都將限制顆粒的運(yùn)動(dòng)，如圖7所示。
壓接型IGBT器件與焊接式IGBT模塊結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別，失效模式與失效機(jī)理不盡相同。壓接型IGBT器件不僅設(shè)計(jì)緊湊，可實(shí)現(xiàn)雙面散熱，而且可以克服焊接式IGBT鍵合引線的失效模式。同時(shí)各部件靠壓力接觸避免了熱膨脹系數(shù)不同的焊層與各層的剛性連接。當(dāng)然壓接型IGBT也不是完美的，壓接模塊沒有介電隔離，壓力不均以及彈簧松弛等也是與焊接模塊不同的可靠性問題。壓接型IGBT失效根源也有與焊接式IGBT相似的地方，比如熱膨脹系數(shù)不匹配或熱應(yīng)力造成部件形變等原因。
微動(dòng)磨損是壓接型IGBT器件最常見的失效模式。造成微動(dòng)磨損最根本的原因也是熱膨脹系數(shù)的不匹配，造成各個(gè)界面的材料在膨脹和收縮過程中產(chǎn)生微小的相互摩擦和滑動(dòng)，如圖8所示。微動(dòng)磨損會(huì)造成各接觸面的相對摩擦，進(jìn)而使表面粗糙度增加，使表面接觸熱阻和接觸電阻增加。這樣在功率循環(huán)過程中會(huì)不斷增加芯片的結(jié)溫，造成失效加速。
壓接型IGBT器件功率循環(huán)試驗(yàn)之后，可以用光學(xué)顯微鏡觀測到一些銀片和鉬片之間有很嚴(yán)重的燒蝕后消融現(xiàn)象，如圖9所示。
這種局部燒蝕是由于芯片微小電弧放電所致。相接觸表面有彼此的材料殘留，這種機(jī)制與機(jī)械工程領(lǐng)域中的電火花加工工藝(electrical discharge machining，EDM)十分相似，所以也可稱這種機(jī)理為微小放電。壓接型IGBT器件通過外部施加一定的壓力保持組件間的電氣與機(jī)械連接，兩接觸面間的壓力過小會(huì)造成接觸不良。接觸不良還會(huì)導(dǎo)致接觸面間存在一定的電壓差，進(jìn)而產(chǎn)生電弧放電。T.Poller等人提出了導(dǎo)致壓接型IGBT器件局部接觸不良的原因，如圖10所示。
在通負(fù)載電流之前，封裝內(nèi)部的各芯片由于壓力不均導(dǎo)致只有一側(cè)是相互接觸，這時(shí)模塊的基本功能還能實(shí)現(xiàn)。在關(guān)斷負(fù)載電流之后，IGBT停止發(fā)熱，各部件開始降溫收縮。由于熱膨脹系數(shù)的不同，各部分與管殼相比時(shí)間常數(shù)更小，所以收縮更快。這樣會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部芯片完全失去接觸。
2.3柵氧層損壞如圖11所示，在壓接型IGBT器件中，IGBT芯片上有一層附加金屬層以便承受住巨大的壓力。
另一種失效模式可能是柵極和發(fā)射極的氧化層損壞造成的極間短路。一個(gè)正常完好的IGBT器件的柵極漏電流通常在微安范圍，那么柵射電阻RGE在千歐級及以下范圍時(shí)就可以判定器件短路。進(jìn)一步說就是柵射電阻減小導(dǎo)致柵極漏電流增大。若柵極驅(qū)動(dòng)電路不能提供已經(jīng)增大了的柵極電流，柵射電壓VGE的值就會(huì)下降。這樣就會(huì)造成芯片中的導(dǎo)電通道變窄，導(dǎo)致集射電壓VCE階梯狀(如圖12所示，圖中n為循環(huán)次數(shù))。如上所述，集射電壓的變化會(huì)造成芯片上的裂痕。如圖13所示，梳狀發(fā)射極上很多有單條裂痕。同時(shí)可以從圖13(a)可以看到附加金屬層與發(fā)射極分層，這樣可能導(dǎo)致IGBT芯片和相接觸鉬片相對滑動(dòng)。
圖14(a)所示的是大范圍裂紋，這就是鉬片一端傾斜導(dǎo)致一端壓力過大造成的。
圖14(b)所示IGBT芯片附加金屬區(qū)的裂痕和磨損。圖14(c)所示的是第三種類型裂痕，這是某一小片區(qū)域因?yàn)閭€(gè)別點(diǎn)壓力過大造成了芯片的損壞。所有上述的損壞都是因?yàn)榫植繎?yīng)力過大，而壓力過大是由于柵極氧化層的損壞造成的。
彈簧失效也是壓接型IGBT一種特有的失效模式。彈簧失效一般包括彈簧疲勞、彈簧應(yīng)力松弛、磨損等。柵極彈簧會(huì)隨著時(shí)間推移和溫度的變化出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，如圖15所示。彈簧松弛后會(huì)導(dǎo)致柵極探針與柵極表面接觸不良，進(jìn)而增加了接觸電阻，提升了結(jié)溫，加速器件失效。
彈簧應(yīng)力松弛與材料、溫度和時(shí)間有關(guān)，具體函數(shù)關(guān)系可表示為
式中:σ是經(jīng)過t小時(shí)后彈簧剩余應(yīng)力值;σ0是彈簧初始應(yīng)力值;A和B是與溫度有關(guān)的材料常數(shù)。
在功率循環(huán)過程中，彈簧在快速加熱和冷卻過程中會(huì)出現(xiàn)熱疲勞，甚至到最后有可能發(fā)展成為彈簧斷裂。彈簧的熱疲勞主要與功率循環(huán)的溫度設(shè)定情況和彈簧剛性(彈簧的材料、幾何形狀)有關(guān)。
2.5宇宙射線
宇宙射線是焊接式和壓接型IGBT的一種共有的失效機(jī)制，也會(huì)導(dǎo)致器件的失效燒毀。宇宙射線導(dǎo)致的失效無法預(yù)測，沒有任何先兆。IGBT與其他器件如二極管、晶閘管和GTO等相比對宇宙射線造成的影響更加敏感。宇宙射線主要是宇宙空間中超新星爆發(fā)所產(chǎn)生的高能粒子。這些最初的宇宙射線通常無法直接到達(dá)地球表面，但會(huì)與大氣中的其他粒子碰撞分解為諸如π介子、μ介子和中子等其他高能粒子。宇宙射線一般來說破壞芯片非常隨機(jī)，其作用的位置和芯片數(shù)量也很隨機(jī)。高能粒子中的一小部分中子穿過IGBT器件和硅原子核發(fā)生碰撞，產(chǎn)生背散射粒子，這些離子會(huì)再次產(chǎn)生一個(gè)局部電荷濃度很高的等離子體。在空間電荷區(qū)中這些載流子分離產(chǎn)生電流脈沖，如果因等離子體產(chǎn)生的電場強(qiáng)度超過一定閾值，碰撞電離產(chǎn)生的載流子就會(huì)高于因擴(kuò)散機(jī)制流出等離子體的載流子。這種放電稱為"流光"，類似于氣體放電。在數(shù)百皮秒內(nèi)，器件局部被自由載流子湮沒，產(chǎn)生一個(gè)局部電流管道。最后半導(dǎo)體器件就被非常高密度的局部電流破壞了，如圖16所示。
焊接式IGBT模塊和壓接型IGBT器件內(nèi)部都是多層結(jié)構(gòu)。焊接式IGBT是將Si芯片通過焊料焊接在DCB板上，再通過鋁鍵合引線連接Si芯片和外接電路。其中鍵合線脫落是焊接式IGBT模塊最常見的失效模式。焊接式IGBT模塊通過各個(gè)不同材料焊接在一起，不同材料熱膨脹系數(shù)的不同是焊接式IGBT模塊失效的最主要的原因。壓接型IGBT是靠壓力將各部件連接，這樣完全消除了傳統(tǒng)焊接式IGBT技術(shù)中與鍵合線和焊接層相關(guān)的失效形式。壓接型IGBT器件雖然消除了鍵合線和焊接層帶來的失效，但引入了外部壓力以及彈簧，所以存在一些由于壓力不均勻或彈簧疲勞帶來的失效。
從上述分析可以看到焊接式IGBT與壓接型IGBT的失效模式是不同的，其中只有宇宙射線對器件的損壞是共有的失效模式。兩者其他的失效模式也是在經(jīng)歷功率循環(huán)的過程中熱膨脹系數(shù)不匹配所造成的，所以在提高IGBT器件可靠性時(shí)，新材料的研發(fā)和使用至關(guān)重要。同時(shí)，利用一些新技術(shù)也可以提高IGBT的可靠性。很少有文獻(xiàn)提到對壓接型IGBT比如選用材料、芯片布局和制造工藝等技術(shù)上的改進(jìn)，這也是以后需要進(jìn)一步深入研究的方面。
