IGBT功率模块键合线失效分析与研究

发布时间：2020-08-27 17:03

【摘要】：随着功率变流技术在航空航天、新能源发电、电动汽车、轨道交通等领域的广泛应用,其在各系统中的核心作用也凸显出来。在功率变换装置中功率器件是系统中最脆弱的部分,因此,功率器件的可靠性问题受到越来越广泛的重视。功率器件中常见的是绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT),因其具有开关速度快、损耗小、驱动电流小、控制电路简单等优势而成为目前应用最为广泛的功率器件。研究IGBT模块老化、失效的过程,掌握模块失效后内部寄生参数的改变以及引起外部特征信号的变化规律对于模块的失效监测、可靠性的提高及整个装置的安全运行都至关重要。键合线是IGBT模块中最易发生故障的部位,本文将针对IGBT模块中键合线的可靠性问题,进行理论研究、仿真及实验分析,主要研究内容及创新点如下:首先,以SKM75GB12T4IGBT模块为研究对象,建立其3D模型,在ANSYS仿真软件中对其分别进行电-热场和热-应力场的综合分析,掌握在IGBT模块工作中,键合线的受热及受力情况。通过子模型分析,了解键合线脱落面积与器件温度的关系,并掌握键合线的热特性对于模块可靠性的影响。其次,探究键合线脱落对模块中寄生参数的影响,利用精密阻抗分析仪和Ansoft Q3D Extractor软件对模块的寄生参数进行测量和提取,并进行比较验证,得到键合线脱落不同程度后内部寄生参数的变化情况。在saber软件中搭建仿真电路模型,分析模块中寄生参数对开关波形的影响。因寄生参数的变化会直接导致外部可测量电信号发生改变,搭建实验电路,得到键合线脱落对外部电信号的影响,并做出规律性分析,为后续研究提供理论依据。再次,提出了一种考虑IGBT模块内部互连材料等效电阻的影响来精确估计结温的方法。基于键合线脱落对外部可测电信号的间接影响,选用通态压降V_(ce_on)作为监测IGBT模块键合线失效的参数,由于V_(ce_on)同时受到结温T_j和集电极电流I_c的影响,利用这三个参数建立键合线失效监测的查找表,使得键合线的失效监测更为精确。最后,总结全文内容,展望IGBT模块键合线的可靠性问题在日后的研究与发展。
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN322.8
【图文】：

内部结构,模块,结温

图 1-1 IGBT 模块去除封装内部结构图目前，将 IGBT 功率模块的失效主要分为两大类：一类是芯片级失效，另一类失效，如图 1-2 所示。研究表明，键合线与焊料层作为 IGBT 模块中最为脆弱对模块的可靠性起到了最直接的影响[9]。在多芯片封装技术中，键合引线互连用最广泛的一种方法，且根据文献[10]统计，在引起半导体器件失效的原因中失效占到 49%。因此，掌握键合线的可靠性对于了解整个模块的可靠性来说是的。值得注意的是，当 IGBT 模块结温波动范围较小时，更容易导致焊料层热阻会增大，散热性能会降低，导致模块失效或加速键合线故障。当结温波动键合线脱落则为模块失效主要类型。

失效类型,模块

图 1-1 IGBT 模块去除封装内部结构图 IGBT 功率模块的失效主要分为两大类：一类是芯片级失效图 1-2 所示。研究表明，键合线与焊料层作为 IGBT 模块中可靠性起到了最直接的影响[9]。在多芯片封装技术中，键合的一种方法，且根据文献[10]统计，在引起半导体器件失效 49%。因此，掌握键合线的可靠性对于了解整个模块的可靠注意的是，当 IGBT 模块结温波动范围较小时，更容易导致大，散热性能会降低，导致模块失效或加速键合线故障。当落则为模块失效主要类型。

示意图,焊料

失效研究主要是从材料疲劳分析领域来探究焊料层的损伤程度，已提出的用于层疲劳的主要模型有：基于塑性应变的疲劳模型、基于断裂力学的疲劳模型、积累的疲劳模型、基于累积蠕变应变（应变密度）的疲劳模型等[32]-[35]。（2）键合线失效研究现状IGBT 功率模块内部半导体芯片（IGBT 芯片或二极管芯片）之间，半导体C 基板之间都是通过较细的铝键合线连接在一起。键合线在硅芯片工作时承的电流，硅芯片的功耗和键合线电阻自加热产生的温度波动会限制键合线承载力。为了提高键合线的可靠性及电流承载能力，工艺上一般采用多根引线并联配键合线，这样可以保证在一根键合线发生故障后，电流可以通过其他引线流也会增加其他键合线承载电流的压力，加速正常键合线故障，最终导致器件发转的失效。研究表明键合线与芯片触点之间的剪切应力会导致键合线出现过键合等隐患，从而诱发键合线进一步失效，这些问题也可能是由于键合线在制造生的工艺误差引起。键合线失效示意图如图 1-5 所示。文献[36]研究发现，键性应变随其直径的增大而增大，但会随键合线的拱高增大而减小。文献[37]指出块运行在高温度梯度时，主要是由键合线翘起和脱落引发的失效，热阻值基本要表现在外部特征参数通态压降 Vce的增大。

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