功率模塊是實(shí)現(xiàn)綠色能源轉(zhuǎn)換的重要組成部分。作為使用頻率[敏感詞]的電源轉(zhuǎn)換芯片，絕緣門(mén)極晶體管是故障頻率[敏感詞]的裝置，大量研究了其故障機(jī)理和檢測(cè)方法。可靠的包裝是IGBT功率模塊可靠性的重要組成部分，為芯片工作提供穩(wěn)定的電氣連接、良好的絕緣性和充分的抗干擾能力。目前主流使用的包裝形式有焊接型和壓接型。兩種包裝結(jié)構(gòu)在功率密度、串并聯(lián)能力、制造成本、包裝可靠性和散熱能力等方面都有所不同。由于壓接包裝具有雙面冷卻和故障自短路效應(yīng)，在散熱、可靠性和串聯(lián)性方面優(yōu)于焊接包裝，廣泛應(yīng)用于高功率密度場(chǎng)合，如高壓電網(wǎng)和高功率機(jī)械設(shè)備，但包裝復(fù)雜而笨重。焊接包裝結(jié)構(gòu)因其制造工藝簡(jiǎn)單、成本低、并聯(lián)能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、汽車電子等低功率密度場(chǎng)合。這兩種包裝結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了不同的故障機(jī)制，但其本質(zhì)主要是IGBT芯片工作產(chǎn)生的熱量沒(méi)有立即消耗，導(dǎo)致溫度梯度，最終導(dǎo)致包裝材料疲勞導(dǎo)致故障。IGBT超聲焊接機(jī)

一、焊接IGBT功率模塊封裝結(jié)構(gòu)

自1975年以來(lái)，提出了焊接IGBT功率模塊的包裝，并得到了廣泛的應(yīng)用。其中，直接覆銅陶瓷板由上銅層、陶瓷板和下銅層組成，一方面實(shí)現(xiàn)了IGBT芯片和連續(xù)二極管的固定和電氣連接，另一方面形成了模塊散熱的主要通道。DBC與芯片和銅基板的連接依賴于焊接材料，芯片與外部端子的連接依賴于超聲鍵接線。此外，為了減少外部水分、灰塵和污染對(duì)模塊的影響，整個(gè)模塊被硅膠密封。

IGBT功率模塊工作過(guò)程中存在開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，以熱的形式消耗，使IGBT功率模塊包裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度梯度。結(jié)構(gòu)層不同材料的熱膨脹系數(shù)差異較大，產(chǎn)生循環(huán)熱應(yīng)力，使材料疲勞，最終導(dǎo)致IGBT功率模塊包裝故障。焊接IGBT功率模塊的主要故障形式是鍵線故障和焊接層故障。在實(shí)際應(yīng)用中，由于單個(gè)芯片能承受的功率較小，多個(gè)芯片通常集成在一起形成功能模塊，或驅(qū)動(dòng)集成形成“智能功率模塊”。

二、焊接IGBT功率模塊封裝失效

一般采用Al或Cu鍵合線將端子與芯片電極超聲鍵合，實(shí)現(xiàn)與外部電氣的連接。這兩種材料都與Si和Si上的絕緣材料有很大的不同，如SiO2的CTE。模塊工作時(shí)，IGBT芯片功耗和鍵合線焦耳熱會(huì)提高鍵合線溫度，在接觸點(diǎn)和鍵合線上產(chǎn)生溫度梯度，形成剪切應(yīng)力。長(zhǎng)期處于開(kāi)關(guān)循環(huán)工作狀態(tài)，產(chǎn)生應(yīng)力和疲勞形變積累，會(huì)導(dǎo)致接觸點(diǎn)裂紋、接觸熱阻增大、焦耳熱增大、溫度梯度增大，最終導(dǎo)致鍵合線損壞加劇，形成正反饋循環(huán)，最終導(dǎo)致鍵合線脫落或斷裂。

研究表明，這些故障是由材料CTE不匹配引起的。鍵合線斷裂的位置出現(xiàn)在其根部，這是鍵合線故障的主要表現(xiàn)。一些研究指出，可以通過(guò)優(yōu)化鍵合線的形狀來(lái)提高其可靠性。具體來(lái)說(shuō)，鍵合線的高度越高，鍵合線的距離越遠(yuǎn)，鍵合線的應(yīng)力水平越低，可靠性越高。

(2)焊層失效

上述溫度梯度也存在于焊接層和相鄰組件中，因此會(huì)導(dǎo)致剪切應(yīng)力。焊接層失效的主要表現(xiàn)形式是裂紋、空洞和分層。在開(kāi)關(guān)循環(huán)中，作為彈性塑料材料的焊接層會(huì)出現(xiàn)非彈性應(yīng)變，最終導(dǎo)致焊接層的裂紋、裂紋的發(fā)展和焊接材料的分層?？斩词怯珊附硬牧系木w邊界空洞和回流焊工藝引起的，這是一種不可避免的現(xiàn)象。隨著功率循環(huán)，焊接層受到熱應(yīng)力，空洞也會(huì)增加。焊接層失效后，熱阻進(jìn)一步增加，導(dǎo)致溫度梯度增加，形成正反饋，最終導(dǎo)致焊接層完全失效。

(3)電遷移、電化學(xué)腐蝕和金屬化重構(gòu)

IGBT功率模塊芯片頂部有一層Al金屬薄膜，用于與外界連接。在電流和溫度梯度的作用下，Al金屬離子會(huì)沿著導(dǎo)體移動(dòng)，如沿鍵合線移動(dòng)，產(chǎn)生凈質(zhì)量運(yùn)輸，導(dǎo)致薄膜上出現(xiàn)空洞、小丘或晶須。

隨著設(shè)備的老化，硅膠的氣密性降低，外部物質(zhì)與Al金屬薄膜接觸，導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕。常見(jiàn)的有Al自鈍化反應(yīng)、單陽(yáng)極腐蝕電池反應(yīng)和與污染的離子反應(yīng)。

金屬化重建是由于Al和芯片上SiO2的CTE值相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致界面循環(huán)應(yīng)力，Al原子擴(kuò)散，導(dǎo)致丘陵、晶須和空洞，最終導(dǎo)致塑性變形和裂紋。

上述三個(gè)因素導(dǎo)致的Al膜失效會(huì)加劇鍵合點(diǎn)的疲勞，最終導(dǎo)致鍵合線脫落或電場(chǎng)擊穿失效。