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IGBT器件基本失效模式及機(jī)理

作者: 網(wǎng)絡(luò) 編輯: 瑞凱儀器 來(lái)源: 網(wǎng)絡(luò) 發(fā)布日期: 2020.11.09

    目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于IGBT器件失效的研究眾多,主要從兩方面入手,一方面是考慮器件自身的工作循環(huán),另一方面是考慮器件的實(shí)際工況環(huán)境,研究表明IGBT失效是由內(nèi)部工作循環(huán)及外部工況同時(shí)作用導(dǎo)致的,其失效機(jī)理復(fù)雜,失效模式主要分為封裝類失效及芯片類失效,如圖2-2所示。


IGBT器件基本失效模式分類


    一方面IGBT在工作時(shí),通常開關(guān)頻率高,在持續(xù)的功率循環(huán)作用下,由于功率損耗,產(chǎn)生出大量熱量,在模塊內(nèi)如不能得到及時(shí)的散熱,繼而導(dǎo)致模塊內(nèi)部溫度升高。由于IGBT器件主要由各種材料的層結(jié)構(gòu)組成,材料間熱膨脹系數(shù)(CTE)差異大,器件內(nèi)部溫度升高從而使得材料間產(chǎn)生交變的剪切應(yīng)力造成熱變形。
    另一方面,對(duì)于某些IGBT,如用于航天任務(wù)的功率電子器件IGBT,所處的工況環(huán)境惡劣,同時(shí)所經(jīng)歷的任務(wù)載荷復(fù)雜,其失效維護(hù)困難,這一類的IGBT模塊除了高密度的功率循環(huán)內(nèi)部工作條件外,同時(shí)要承受高低溫環(huán)境、機(jī)械振動(dòng)及太空輻射等外部環(huán)境影響,惡劣的工作環(huán)境將加速器件由于工作循環(huán)導(dǎo)致的失效影響,如加速IGBT模塊由于功率循環(huán)熱應(yīng)力導(dǎo)致的疲勞裂紋擴(kuò)展,振動(dòng)沖擊致使IGBT封裝鍵合線斷裂等。
    (1)IGBT器件封裝類失效
    為了滿足大電流的工程應(yīng)用需求,IGBT 器件通常由幾個(gè)IGBT芯片并聯(lián)封裝成一個(gè)模塊,封裝對(duì)于IGBT器件來(lái)說(shuō),至關(guān)重要,既要實(shí)現(xiàn)器件與外部電路的連通,同時(shí)又要保證IGBT器件結(jié)構(gòu)及工作性能的穩(wěn)定,免受外部環(huán)境的機(jī)械損傷及空氣氧化。IGBT 器件封裝類失效可分為兩類:與鍵合線相關(guān)的失效、與焊料層相關(guān)的失效。
    ①鍵合線相關(guān)失效

    鍵合引線一般是通過(guò)超聲波鍵合工藝,實(shí)現(xiàn)與芯片、DBC板的連接,由于工作過(guò)程中承受較大的電流負(fù)載,其鍵合點(diǎn)處為IGBT模塊的薄弱環(huán)節(jié)之一。鍵合線故障主要包括鍵合點(diǎn)脫落及鍵合線斷裂,研究表明功率電子器件中鍵合線失效占器件總失效的70%左右。隨著技術(shù)發(fā)展,用于IGBT鍵合線的材料特性越來(lái)越好,鍵合線斷裂情況很少再發(fā)生,因此IGBT鍵合線故障主要的失效模式為鍵合點(diǎn)脫落。鍵合線脫落如圖(a)、(b),由于鋁鍵合線的抗拉極限低,在IGBT正常工作時(shí)的功率循環(huán)與溫度循環(huán)下,因電流通過(guò)產(chǎn)生的熱應(yīng)力及材料間CTE差異引起的剪切應(yīng)力,導(dǎo)致鍵合線與芯片連接處萌生裂紋,在持續(xù)的熱應(yīng)力或外部環(huán)境如振動(dòng)沖擊影響下,裂紋擴(kuò)展,進(jìn)而導(dǎo)致IGBT鍵合線脫落。


鍵合引線脫落失效

    鍵合引線在剪切應(yīng)力作用下裂紋擴(kuò)展失效的過(guò)程如圖2-4 所示,可以看到裂紋萌生的部位產(chǎn)生了應(yīng)力集中效應(yīng),導(dǎo)致靠近裂紋位置的應(yīng)力(σlocal) 要明顯大于其它距離裂紋位置較遠(yuǎn)的應(yīng)力(σ),兩應(yīng)力之間存在如式(2-1)所述關(guān)系式。圖2-4中: a表示當(dāng)前形成的裂紋長(zhǎng)度,r 表示到當(dāng)前形成裂紋尖部的距離大小??梢钥吹?,σloca 應(yīng)力隨著到裂紋尖部的距離增大而呈現(xiàn)減小趨勢(shì),當(dāng)某一靠近裂紋的位置出現(xiàn)σloca應(yīng)力大于鋁鍵合引線產(chǎn)生的應(yīng)力時(shí),裂紋變形將發(fā)生擴(kuò)展,進(jìn)而導(dǎo)致鋁鍵合引線與IGBT 芯片間發(fā)生脫落。同時(shí),如果需要確定裂紋變形區(qū)域的寬度,我們可以在式(2-1) 和式(2-2) 中假定σloca=σy,,然后求解即可。

引線脫落擴(kuò)展示意圖

    ②焊料層相關(guān)失效

    焊料層主要作用在于連接IGBT器件內(nèi)部各層材料,在工作期間產(chǎn)生的熱循環(huán)過(guò)程中,由于材料間CTE差異,在材料間產(chǎn)生交變的剪切熱應(yīng)力,焊料層疲勞如圖2-5 (a)、 2-5 (b)所示。在上述應(yīng)力的連續(xù)作用下,導(dǎo)致焊料層疲勞老化,萌生裂紋,進(jìn)而擴(kuò)展至材料分層,同時(shí)由于裂紋及分層的產(chǎn)生,焊料層與各層材料間的接觸面積變小,模塊熱阻增大,IGBT 器件內(nèi)溫度進(jìn)一步升高,并加速焊料層的失效,循環(huán)往復(fù),致使IGBT過(guò)熱燒毀。另一方面,不可避免的IGBT在制造過(guò)程中由于其工藝本身缺陷,其初始狀態(tài)就具有裂紋或空洞等,這些工藝缺陷在熱應(yīng)力的激發(fā)下,同樣將導(dǎo)致器件的失效。

焊接層疲勞

    IGBT器件焊料層疲勞的擴(kuò)展過(guò)程與鍵合引線裂紋擴(kuò)展類似,如圖2-6所示。上圖所示熱剪切應(yīng)力作用下,焊料層疲勞裂紋末端產(chǎn)生一個(gè)不可恢復(fù)區(qū)域,同時(shí)在熱應(yīng)力作用下,裂紋發(fā)生拉長(zhǎng),致使焊料層生成一個(gè)包含可恢復(fù)變形( △ael )和永久變形( △apl )新的表面。在應(yīng)力σ去除后,前面形成的可恢復(fù)變形將復(fù)原,但永久變形部分仍在,致使新生成的表面發(fā)生擴(kuò)展。

焊料層疲勞擴(kuò)展圖

    (2) IGBT器件芯片類失效
    IGBT模塊中與芯片相關(guān)的失效主要有:電過(guò)應(yīng)力、靜電荷放電、離子污染、電子遷移、輻射損傷等。
    ①電過(guò)應(yīng)力
    過(guò)電壓失效原因主要有兩點(diǎn),一方面由于靜電聚積在柵極發(fā)射極電容Cge 上引起過(guò)壓,另一方面為電容米勒效應(yīng)引起的柵極過(guò)壓,兩者都會(huì)使柵氧化層擊穿而導(dǎo)致失效。IGBT的過(guò)電流失效主要是由于導(dǎo)通期間出現(xiàn)浪涌或發(fā)生短路故障時(shí),熱電載流子成倍增加,引起過(guò)電流的發(fā)生,過(guò)電流進(jìn)而導(dǎo)致過(guò)電壓,過(guò)電壓又反過(guò)來(lái)引起過(guò)電流,終導(dǎo)致器件功率損耗增大,結(jié)溫升高,IGBT芯片發(fā)生燒毀。
    ②靜電荷放電
    靜電放電(Electro-Static discharge, ESD)容易造成IGBT柵氧化層穿透,致使IGBT發(fā)生短路失效。但發(fā)生靜電擊穿柵氧化層的器件仍然可以正常工作,且不好監(jiān)測(cè),只有器件工作一旦時(shí)間后,靜電失效才會(huì)慢慢顯現(xiàn)出來(lái),進(jìn)而嚴(yán)重影響器件的使用性能。
    ③離子污染
    離子污染通常是由器件制造封裝過(guò)程中引入的灰塵、水汽及其它微小雜質(zhì)造成的,主要引起IGBT器件發(fā)生電流泄露,同時(shí)影響器件的輸出特性,終致使器件短路失效。
    ④電子遷移
    電子遷移通常指的是因電流通過(guò),金屬導(dǎo)線的組成離子,隨電流方向,發(fā)生流動(dòng),造成金屬導(dǎo)線中離子分布不均,局部出現(xiàn)空洞及小丘,從而導(dǎo)致IGBT器件發(fā)生短路、斷路及參數(shù)退化等失效模式。
    ⑤輻射損傷
    航天工況環(huán)境的IGBT,由于宇宙輻射的影響,輻射中所含的多種高能粒子與IGBT器件內(nèi)氧化物結(jié)合引起電離,導(dǎo)致器件因參數(shù)漂移發(fā)生失效。
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