功率(lv)器(qi)(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)可靠性是(shi)指在(zai)规定条(tiao)件(jian)(jian)下，器(qi)(qi)件(jian)(jian)完成(cheng)规定功能的(de)(de)能力(li)，通常用使用寿命来表(biao)示。由于半(ban)导体器(qi)(qi)件(jian)(jian)主要(yao)是(shi)用来实(shi)现电(dian)(dian)流的(de)(de)切换，会产(chan)生较(jiao)大(da)的(de)(de)功率(lv)损耗，因(yin)此，电(dian)(dian)力(li)电(dian)(dian)子系统的(de)(de)热(re)管理已成(cheng)了设计中(zhong)的(de)(de)重中(zhong)之重。在(zai)电(dian)(dian)力(li)电(dian)(dian)子器(qi)(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)工(gong)作过程中(zhong)，首先(xian)要(yao)应对的(de)(de)就是(shi)热(re)问(wen)题，它包括稳(wen)态温(wen)度(du)，温(wen)度(du)循(xun)环，温(wen)度(du)梯度(du)，以及封装材料(liao)在(zai)工(gong)作温(wen)度(du)下的(de)(de)匹配问(wen)题。

由(you)于(yu)IGBT采(cai)取了(le)叠层封装技术，该(gai)技术不但(dan)提高了(le)封装密度(du)，同时也缩短了(le)芯片(pian)(pian)之间导线(xian)的互联(lian)长(zhang)度(du)，从而提高了(le)器件的运行(xing)速率(lv)。但(dan)也正因为(wei)采(cai)用了(le)此结构，IGBT的可靠(kao)性(xing)受到了(le)质(zhi)疑。不难想象，IGBT模块封装级的失效主要发(fa)生在结合线(xian)的连接(jie)处(chu)，芯片(pian)(pian)焊(han)(han)接(jie)处(chu)，基片(pian)(pian)焊(han)(han)接(jie)处(chu)和(he)基片(pian)(pian)等位置。

在通常的(de)(de)功率循(xun)环或(huo)温度(du)(du)循(xun)环中(zhong)，芯片，焊料层(ceng)，基片，底板(ban)和封(feng)(feng)装外壳都会经历不(bu)(bu)同层(ceng)度(du)(du)的(de)(de)温度(du)(du)及温度(du)(du)梯度(du)(du)。热(re)(re)膨胀系数(shu)是材料的(de)(de)一项重要性能指标(biao)，指的(de)(de)是在一定温度(du)(du)范围内温度(du)(du)每升高(gao)1度(du)(du)，线尺寸的(de)(de)增(zeng)加量与其在0度(du)(du)时(shi)(shi)的(de)(de)长度(du)(du)的(de)(de)比值。图1-2是IGBT堆叠结构中(zhong)常用材料的(de)(de)热(re)(re)膨胀系数(shu)，由(you)于各自材料的(de)(de)热(re)(re)膨胀系数(shu)不(bu)(bu)同，在温度(du)(du)变(bian)化时(shi)(shi)不(bu)(bu)同材料之间的(de)(de)热(re)(re)应变(bian)不(bu)(bu)同，相(xiang)互(hu)连接(jie)层(ceng)之间的(de)(de)接(jie)合会产生因热(re)(re)应力疲劳损(sun)耗。因此，器件(jian)的(de)(de)热(re)(re)行(xing)为与模块封(feng)(feng)装的(de)(de)结构息息相(xiang)关。调查表明，工作温度(du)(du)每上升10℃，由(you)温度(du)(du)引起的(de)(de)失效率增(zeng)加一倍。

1、铝接合导线的脱离

IGBT内的(de)(de)(de)(de)铝(lv)(lv)接合(he)(he)(he)导线(xian)的(de)(de)(de)(de)直(zhi)径通常(chang)为(wei)300-500um,他们(men)的(de)(de)(de)(de)化学成(cheng)(cheng)分因(yin)生产厂商而异. 然而，几(ji)乎在(zai)(zai)所有(you)情(qing)况(kuang)下，在(zai)(zai)纯(chun)铝(lv)(lv)中加入千分之一的(de)(de)(de)(de)合(he)(he)(he)金(jin)，例如硅(gui)镁或(huo)硅(gui)镍合(he)(he)(he)金(jin)，铝(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)硬度会(hui)大(da)大(da)提升因(yin)而抗腐蚀性得(de)以控制。由(you)于与长度的(de)(de)(de)(de)不成(cheng)(cheng)比例以及轻微(wei)依(yi)赖衬底的(de)(de)(de)(de)温度，接合(he)(he)(he)线(xian)的(de)(de)(de)(de)电流(liu)(liu)容量会(hui)有(you)所下降(jiang)。最(zui)大(da)的(de)(de)(de)(de)直(zhi)流(liu)(liu)电流(liu)(liu)受(shou)限于导线(xian)自身的(de)(de)(de)(de)欧(ou)姆热(re)效应(ying)带来(lai)的(de)(de)(de)(de)熔化。由(you)于铝(lv)(lv)接合(he)(he)(he)线(xian)是(shi)直(zhi)接接在(zai)(zai)芯片或(huo)压力(li)缓冲器上,会(hui)承(cheng)受(shou)较大(da)的(de)(de)(de)(de)温度变化,而IGBT模块(kuai)是(shi)由(you)不同热(re)膨胀(zhang)系数的(de)(de)(de)(de)材料构成(cheng)(cheng),在(zai)(zai)工(gong)作期(qi)间,必然会(hui)有(you)明显的(de)(de)(de)(de)热(re)疲劳.这种疲劳会(hui)随着工(gong)作时间的(de)(de)(de)(de)推移(yi),导线(xian)自身的(de)(de)(de)(de)欧(ou)姆效应(ying)变得(de)越来(lai)越明显,最(zui)终在(zai)(zai)键合(he)(he)(he)线(xian)根部产生裂痕(hen)。

2、铝导线的重构

在热循环测试中,热膨(peng)胀系数的不匹配会(hui)(hui)造成键合表面(mian)周(zhou)期(qi)性的挤压和拉升作(zuo)用,而这种作(zuo)用远(yuan)远(yuan)超出材料(liao)本身的伸(shen)缩范围。在此情况(kuang)下,压力会(hui)(hui)通过不同的方式(shi)释放(fang)出去,如扩(kuo)散蠕(ru)动,颗粒(li)滑行,错位等形式(shi)。铝的重塑会(hui)(hui)导(dao)致(zhi)接触面(mian)有效面(mian)积的减少,从(cong)而导(dao)致(zhi)电阻(zu)的增加。这也(ye)解释了(le)为什(shen)么随着周(zhou)期(qi)性测试,Vce也(ye)呈线性增加的趋势。

3、焊料疲劳与焊料空隙

芯片与衬底(di)之间(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)料层(ceng)(ceng)因(yin)热(re)膨(peng)胀系数的(de)(de)(de)(de)(de)不同(tong)产生的(de)(de)(de)(de)(de)裂痕会增加(jia)(jia)(jia)导线的(de)(de)(de)(de)(de)接触电阻,电阻的(de)(de)(de)(de)(de)增加(jia)(jia)(jia)会导致欧(ou)姆效(xiao)应(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)增强,如此温度(du)(du)(du)正反馈会使裂痕越演越烈(lie)，最终导致器件的(de)(de)(de)(de)(de)失效(xiao)。焊(han)料层(ceng)(ceng)内的(de)(de)(de)(de)(de)空洞会影响(xiang)温度(du)(du)(du)热(re)循(xun)环,器件的(de)(de)(de)(de)(de)散热(re)性能降(jiang)低,这(zhei)也会促进温度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)上升，从而加(jia)(jia)(jia)快模块(kuai)的(de)(de)(de)(de)(de)损坏。并(bing)且，应(ying)力与应(ying)变之间(jian)存在(zai)着滞回现象，在(zai)不断地温度(du)(du)(du)循(xun)环当中，材料的(de)(de)(de)(de)(de)形状实时地发生改变，这(zhei)又(you)增加(jia)(jia)(jia)了焊(han)锡的(de)(de)(de)(de)(de)热(re)疲劳。此外，因(yin)工艺问题在(zai)焊(han)锡中引入的(de)(de)(de)(de)(de)空洞会影响(xiang)期间(jian)在(zai)工作(zuo)过程中的(de)(de)(de)(de)(de)热(re)循(xun)环，造成局部(bu)温度(du)(du)(du)过高，这(zhei)也是模块(kuai)失效(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)一个(ge)重要(yao)原因(yin)。

 4、晶圆及陶瓷裂痕

在(zai)IGBT七层结构中，因(yin)热膨胀系数的(de)(de)不(bu)匹配会给各(ge)层带来非常大(da)的(de)(de)机械应力。在(zai)温度(du)差异的(de)(de)情况下，各(ge)层材(cai)料(liao)的(de)(de)形(xing)变(bian)有(you)所不(bu)同，并且同层材(cai)料(liao)的(de)(de)不(bu)同部分(fen)(fen)也(ye)会因(yin)为温度(du)分(fen)(fen)布(bu)的(de)(de)差异导致形(xing)变(bian)程度(du)的(de)(de)不(bu)同，这样就不(bu)可避免地存在(zai)局部应力过大(da)的(de)(de)问(wen)题，从而导致材(cai)料(liao)的(de)(de)开裂。

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