門級氧化層損壞而非封裝鍵合線缺陷引發(fā)的故障

　　在我們的實驗中，我們會繼續(xù)功率循環(huán)，直到器件完全無法工作（短路或斷路）。這就是我們的故障標(biāo)準(zhǔn)。在被測的四個 IGBT 器件中，有一個器件（樣品 3）發(fā)生故障明顯地早于其他器件，只經(jīng)過 10，158 個功率循環(huán)（圖 8）。這種過早發(fā)生故障的原因可能是在冷板中安裝不當(dāng)或其他隨機錯誤。其他三個器件，即樣品 0、1 和 2 顯示出相似的行為，分別在經(jīng)過 40，660、41，476 和 43，489 個循環(huán)后發(fā)生故障。

　　圖 8：器件發(fā)生故障之前應(yīng)用的功率循環(huán)數(shù)量。

　　在所有 IGBT 都發(fā)生故障之后，我們會拆解模塊并檢查芯片和封裝鍵合線的狀況。圖 9 是其中一個芯片的照片，顯示在測試期間有多條封裝鍵合線斷裂，芯片表面有一個區(qū)域發(fā)生燒灼，這可能是應(yīng)用高電流時線路脫開形成的電弧造成的。

　　圖 9：斷裂封裝鍵合線和燒灼芯片表面的照片。

　　盡管封裝鍵合線出現(xiàn)明顯的缺陷，但是中斷的封裝鍵合線并未造成器件故障。所有芯片的故障都是過熱和門級氧化層損壞導(dǎo)致的。這些效應(yīng)隨后通過電氣測試進行檢查和跟蹤：封裝鍵合線破裂可通過 VCE（集電極-發(fā)射極）電壓升高指示，門級氧化層損壞可造成 IG（門級漏電）升高。設(shè)計 IGBT 功率循環(huán)設(shè)備時，應(yīng)當(dāng)測量這些參數(shù)。

　　此外，還需要調(diào)查基板和底板之間的結(jié)點以及芯片粘接，以便了解過熱來源，這是我們需要校準(zhǔn)仿真模型的原因。圖 10 顯示了使用校準(zhǔn)后的詳細模型仿真加熱期結(jié)束時，兩個相鄰 IGBT 的溫度分布。相鄰芯片之間的熱耦合可以忽略不計；因此，可以單獨地調(diào)查每個芯片。

　　圖 10：3 秒鐘之后一個半橋模塊的仿真溫度分布。

　　由于加熱時間短，基板-底板連接的最大溫升為 71 °C，但是芯片粘接溫度升高超過 100 °C。這種結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)中最易受損的地方是芯片粘接材料。

　　定期測量的熱瞬態(tài)值允許我們根據(jù)應(yīng)用的不同功率循環(huán)次數(shù)生成結(jié)構(gòu)函數(shù)。圖 11 顯示產(chǎn)生的功率循環(huán)對每 5，000 個循環(huán)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)的影響。在第一個電容階躍之后，平坦區(qū)域?qū)?yīng)于芯片粘接材料。結(jié)構(gòu)在 17，000 個循環(huán)之前保持穩(wěn)定；但是，在此之后，芯片粘接材料明顯發(fā)生降級，并且其阻抗連續(xù)升高直至器件發(fā)生故障。

　　圖 11：樣品 0 對應(yīng)于不同時間點的控制測量結(jié)果的結(jié)構(gòu)函數(shù)。

　　如圖 12 中所示，讀取的芯片粘接層熱阻除以系統(tǒng)的初始結(jié)-環(huán)境阻抗，并繪制為功率循環(huán)的函數(shù)。此計算可確認該層在 15，000 個循環(huán)之后迅速開始降級。熱路徑的變化極其顯著，因為芯片粘接材料發(fā)生了極大的變化，在后一個結(jié)構(gòu)元件中無法調(diào)查。但是，后一部分中的降級也可合理預(yù)測，只不過它們與芯片粘接材料的問題相比可忽略不計。

　　圖 12：初始狀態(tài)下的芯片粘接層熱阻與結(jié)-環(huán)境熱阻對比。

　　大約 20，000 個循環(huán)后，芯片粘接層的降級影響變得很明顯，在大約 10，000 個循環(huán)內(nèi)，樣品的結(jié)-環(huán)境總熱阻由于循環(huán)而倍增。在 30，000 個循環(huán)后，我們無法確定芯片粘接層的熱阻，因為熱擴散路徑發(fā)生了變化。