一文读懂IGBT模块的失效

芯长征科技 · 公众号 · · 2024-04-10 09:30

正文

一、IGBT结构

2060 年中国将实现“碳中和”的目标，高效利用绿色能源是实现这一目标的重要途径。功率模块是实现绿色能源转换的重要部件，绝缘栅门极晶体管( Insulated Gate Bipolar Translator，IGBT) 作为使用频率最高的电源转换芯片，是出现故障频率最高的器件，其失效机理及检测方式被大量研究。可靠的封装为芯片工作提供稳定的电气连接、良好的绝缘性能和充分的抗干扰能力，是 IGBT 功率模块可靠性的重要组成部分。

下面展示一些结构示意图和实物图，关于IGBT的具体构造和过程可以观看往期好文：一文读懂IGBT功率模块

二、IGBT常见的失效模式

IGBT 模块 的芯片大多为硅材料，而硅材料本身就有其自身的缺陷，这种缺陷分为质量缺陷和潜在缺陷。这两种缺陷引起检测方式的不同而区分，当模块的缺陷可以只通过控制程序就可以检测出来，那么这种缺陷就被称作为质量缺陷；当模块的缺陷只通过质量控制无法检测，而还需要外在手段比如对模块施加外部条件才可以被检测出来的缺陷，这种缺陷具有一定的隐蔽性，比质量缺陷的影响更大，这种缺陷被称作为潜在缺陷。由于各个模块的外部条件和内部构造各不相同，因为模块的缺陷也不一样，这就造成了模块的缺陷多种多样，影响模块失效的方式具有复杂性。当 IGBT 模块被应用于不同的使用环境下时，不同环境对模块的限制也不一样，模块收到的应力也不一样以及造成失效的程度就会不一样。IGBT 失效分析如图 1所示。

图1 IGBT 失效分析

常见的失效有 功率端子断裂、键合线脱落断裂、焊层开裂退化、芯片焊层出现裂纹 等。 IGBT 模块在正常工作时会造成热量积累，当热量散发不出去时就会造成模块失效，因此模块的散热至关重要。同时，由于 IGBT 模块是一整个模块，包含多个部分，每个部分的热膨胀系数不同也会引起模块的失效。当模块发生失效时，整体电参数会发生剧烈变化，因此在实际测试中，当模块发生失效时可以通过测试电参数得知模块是否发生失效。常见的失效形式的具体表现如图 2所示。

图2 常见的失效形式

来源：IGBT大功率模块高可靠封装技术研究论文

封装导致的器件失效存在多种机理，通常包括封装应力、封装污染、静电损伤、物理损伤及缺陷等。了解常见失效模式和机理可以为失效分析的方案设计和结论判定提供帮助。

1.封装应力

封装后的器件由多种热膨胀系数不同的材料结合而成，如果材料和工艺的选择不合理，在封装、组装以及上机使用过程中就会出现过大的应力导致芯片性发生改变(如耐压性能发生改变)。一方面，封装会给芯片带来不同程度的座力如划片、装片、键合和塑封等过程对芯片产生的机械应力和热应力;另一方期封装材料和工艺的选择还会影响产品在装配及使用时所能承受的机被应力和期力发眼，例如芯片粘接材料厚度的不同会直接影响封装结构对芯片的保护和缓冲作用。

2.封装污染

封装过程中芯片需要经过多个环节的加工和处理(例如芯片暴露在不同环境中或与不同物质接触)，并与塑封料等封装材料相结合，如果材料选择不当或工艺环境控制不佳就会导致一些有害离子污染芯片,导致芯片性能降低甚至完全失效

3.静电损伤

功率半导体器件在晶圆制造和封装过程以及包装、运输及装配、使用过程中均可能被静电损伤。同时静电损伤不易观察且不一定能够通过简单的测试来剔除,因此做好器件在不同环节的静电防护非常重要。

4.物理损伤及缺陷

封装环节对芯片产生的一些非预期损伤或封装结构中的一些物理缺陷同样会导致芯片或整个器件的完整结构遭到破坏，使器件出现直接或潜在的失效风险。

三、常见的封装失效机理

3.1 封装应力

1	塑封料应力	塑封料玻璃化温度高塑封料热膨胀系数大树脂和固化剂选择不当填料类型选择及比例管控不当	芯片裂纹短路、漏电流偏大分层比例偏大
2	焊料与芯片的匹配	BLT 控制不当焊料层空洞增加热应力焊料与芯片材料热膨胀系数不匹配	翘片散热能力不足导通电阻偏大
3	塑封料与芯片、基板的匹配	塑封料与芯片、基板的热膨胀系数不匹配	分层比例偏大芯片内部结构损伤短路、漏电流偏大
4	塑封过程中的应力	模具脱模能力不足塑封后冷却过程中的温度冲击	分层比例偏大散热能力不足
5	切筋过程中的应力	夹具与模具配合不当	引脚分层比例偏大
6	测试过程中的应力	测试过程热应力影响测试过程电流脉冲影响	电性能参数偏移