新聞中心 公司公告 |  公司新聞 |  行業新聞 |  宣傳視頻 | 

行業新聞

首頁 > 新聞中心 > 行業新聞
IGBT的封裝失效機理

IGBT的封裝失效機理
功率器件的可靠性是指在規定條件下,器件完成規定功能的能力,通常用使用壽命表示。由於半導體器件主要是用來實現電流的切換,會產生較大的功率損耗,因此,電力電子系統的熱管理已成了設計中的重中之重。在電力電子器件的工作過程中,首先要應對的就是熱問題,它包括穩態溫度,溫度迴圈,溫度梯度,以及封裝材料在工作溫度下的匹配問題。
 
由於IGBT採取了疊層封裝技術,該技術不但提高了封裝密度,同時也縮短了晶片之間導線的互聯長度,從而提高了器件的運行速率。但也正因為採用了此結構,IGBT的可靠性受到了質疑。不難想像,IGBT模組封裝級的失效主要發生在結合線的連接處,晶片焊接處,基片焊接處和基片等位置。
 
在通常的功率迴圈或溫度迴圈中,晶片,焊料層,基片,底板和封裝外殼都會經歷不同層度的溫度及溫度梯度。熱膨脹係數(CTE,Coefficient of Thermal Expansion)是材料的一項重要性能指標,指的是在一定溫度範圍內溫度每升高1度,線尺寸的增加量與其在0度時的長度的比值。圖1-2是IGBT堆疊結構中常用材料的熱膨脹係數,由於各自材料的熱膨脹係數不同,在溫度變化時不同材料之間的熱應變不同,相互連接層之間的接合會產生因熱應力疲勞損耗。因此,器件的熱行為與模組封裝的結構息息相關。調查表明,工作溫度每上升10℃,由溫度引起的失效率增加一倍。

鋁接合導線的脫離
IGBT內的鋁接合導線的直徑通常為300-500um,他們的化學成分因生產廠商而異。 然而,幾乎在所有情況下,在純鋁中加入千分之一的合金,例如矽鎂或矽鎳合金,鋁的硬度會大大提升因而抗腐蝕性得以控制。由於與長度的不成比例以及輕微依賴襯底的溫度,接合線的電流容量會有所下降。最大的直流電流受限於導線自身的歐姆熱效應帶來的熔化。由於鋁接合線是直接接在晶片或壓力緩衝器上,會承受較大的溫度變化,而IGBT模組是由不同熱膨脹係數的材料構成,在工作期間,必然會有明顯的熱疲勞。這種疲勞會隨著工作時間的推移,導線自身的歐姆效應變得越來越明顯,最終在鍵合線根部產生裂痕。
 
在熱迴圈測試中,熱膨脹係數的不匹配會造成鍵合表面週期性的擠壓和拉升作用,而這種作用遠遠超出材料本身的伸縮範圍。在此情況下,壓力會通過不同的方式釋放出去,如擴散蠕動,顆粒滑行,錯位等形式。鋁的重塑會導致接觸面有效面積的減少,從而導致方塊電阻的增加。這也解釋了為什麼隨著週期性測試,Vce也呈線性增加的趨勢。
 
焊料疲勞與焊料空隙
晶片與襯底之間的焊料層因熱膨脹係數的不同產生的裂痕會增加導線的接觸電阻,電阻的增加會導致歐姆效應的增強,如此溫度正回饋會使裂痕越演越烈,最終導致器件的失效。焊料層內的空洞會影響溫度熱迴圈,器件的散熱性能降低,這也會促進溫度的上升,從而加快模組的損壞。並且,應力與應變之間存在著滯回現象,在不斷地溫度迴圈當中,材料的形狀即時地發生改變,這又增加了焊錫的熱疲勞。此外,應工藝問題在焊錫中引入的空洞會影響期間在工作過程中的熱迴圈,造成局部溫度過高,這也是模組失效的一個重要原因。
 
晶圓及陶瓷裂痕
在IGBT七層結構中,因熱膨脹係數的不匹配會給各層帶來非常大的機械應力。在溫度差異的情況下,各層材料的形變有所不同,並且同層材料的不同部分也會因為溫度分佈的差異導致形變程度的不同,這樣就不可避免地存在局部應力過大的問題,從而導致材料的開裂。

 

COPYRIGHT(C) 2015 臺灣國安半導體股份有限公司 版權所有 ALL RIGHTS RESERVED
公司地址:臺灣新竹科技園區創新一路12號3樓     E-Mail:guoan@guoan.com.tw
24小時銷售電話:+86 15217062858      官方網站:www.guoan.com.tw 技术支持:深圳做网站 搜度科技