高溫功率循環下絕緣柵雙極型晶體管失效特征及機理分析

陳明

(海軍駐廣州四二七廠軍事代表室, 510715, 廣州)

高溫功率循環下絕緣柵雙極型晶體管失效特征及機理分析

陳明

(海軍駐廣州四二七廠軍事代表室, 510715, 廣州)

結合絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊結構和工作的不同階段,分析了IGBT失效類型及其失效機理。深入分析了影響IGBT工作壽命的3種封裝失效類型及失效機理。高結溫、大溫度梯度極端工作方式下主要的封裝失效類型是鍵合引線失效,由某一根或幾根過載引起電流分配不均引發,失效前壓降大,熱阻基本不變。通過分析得到IGBT模塊的壽命值近似服從Weibull分布。實驗過程中結合各類顯微鏡和紅外熱像儀得出的失效特征分布規律表明:經過功率循環后的芯片表面中心區域、邊緣絕緣保護環原胞結構均由規則點陣變化為點陣中出現小的黑圈、空穴、裂紋,變得不再規則;各物理層接觸面間的缺陷由芯片向下呈遞減趨勢;IGBT模塊各物理層不平整度由基板向上呈遞減趨勢。通過實際實驗發現,可將壓降的突變位置作為IGBT可靠性評估的標準。

絕緣柵雙極型晶體管;功率循環;失效;鍵合引線;焊料層

在各類電力電子裝置中,絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是目前應用最為廣泛的全控型電力電子器件。IGBT工作時產生的功耗主要通過傳導垂直向下傳遞,最后被安裝在基板下的散熱器帶走,從而在芯片與基板間由高到低形成溫度分布[1]。在PWM工作方式下,IGBT模塊不斷地重復加熱、冷卻,各層材料反復地加熱膨脹和冷卻收縮。模塊不同層的材料不同,對應的熱膨脹系數不同[2],熱膨脹系數小的受到拉應力而拉伸,熱膨脹系數大的受到壓應力而壓縮,熱應力長期的反復沖擊引起材料屬性發生變化,導致IGBT的傳熱、電氣等特性改變,可靠性降低甚至引發封裝失效。

IGBT封裝失效是在溫度梯度與熱應力的反復沖擊下,由封裝材料的疲勞引發的,其中鍵合引線、鍵合點、芯片及焊料層是IGBT封裝結構中最脆弱的部分,所以其工作壽命主要由鍵合引線、鍵合點、芯片及焊料層承受熱應力和形變的能力、強度決定。文獻[3]提出不同結溫波動幅度ΔTj和結溫平均值Tm對應不同失效類型,即ΔTj<80K時是焊料層失效,ΔTj≈100K時是鍵合引線的上翹失效。文獻[4-5]指出,ΔTj≥130K時主要的失效類型為焊料層疲勞,ΔTj<130K時主要的失效類型為鍵合引線上翹。明顯地,上述文獻表述的失效差別很大。

針對封裝失效研究,一般通過可靠性功率循環測試、壽命預測和可靠性評估分析來開展[6]。實驗測試的方法是直接通過實驗手段對IGBT的可靠性進行測試,有溫度循環和功率循環兩種,其中功率循環測試更為貼近實際工況,是最主要的可靠性測試方法。IGBT經過高溫下的功率循環[7-8]之后,各層中分層、空洞和缺陷、平整度的變化規律,以及這些變化規律與不同的循環次數之間的關系目前還沒有文獻給出相關結論。本文針對上述問題開展了高溫下IGBT功率循環實驗,對實驗結果、失效特征及分布規律和失效機理進行分析。

1 IGBT芯片結構及失效類型

IGBT芯片分為硅片層和鍍層。鍍層鍍在硅芯片上表面,由金屬層和邊緣保護層兩部分組成,如圖1所示。中心區域的金屬層鍍鋁,一是保護芯片的完整,還可以減小鍵合處的熱膨脹率,使鍵合處兩端的材料盡可能一致。邊緣區域鍍Si3N4,對芯片起絕緣保護、阻斷高壓的作用。

圖1 IGBT芯片表面結構

結合IGBT工作的不同階段,IGBT失效類型及其失效機理如下:①開通階段的電擊穿通常是出現在短路的開通時刻,失效的發生由器件的耗盡層參數以及短路時的電流特性決定;②導通過程中的熱擊穿一般會有短時的溫度累積過程,出現在連續導通一串脈沖后,在短路條件下也可能出現在單個脈沖的導通過程中;③關斷時刻的擎柱效應與電擊穿;④斷態下漏電流引起的熱擊穿;⑤封裝失效是一種與IGBT壽命和可靠性相關的漸變失效,當電應力或熱應力的沖擊過大時,由于焊料的分層與空洞、鍵合引線的熔化導致脫焊、金屬表面裂縫等,使得器件可靠性下降,引發器件失效[9-10]。

2 IGBT封裝失效類型及其機理

由于芯片和封裝材料的熱膨脹系數不同,因此會產生不同的熱形變,這就是引發封裝失效的主要機理。硅芯片的本征溫度約為230℃,遠高于結溫最高允許值175 ℃。制約器件最高工作結溫的關鍵因素是封裝結構及技術,特別是焊料層、鍵合引線及鍵合技術,對應地最主要的封裝失效類型[7]有焊料層疲勞、鍵合引線上翹和金屬鍍層重構失效3種,具體如圖2所示。

圖2 IGBT模塊主要封裝失效位置及類型

2.1 焊料層疲勞失效

焊接材料包括3個位置:電氣端子與銅層的焊接、芯片與銅層的焊接及直接覆銅陶瓷層(DBC)與基板的焊接。由于焊料本身的不均勻性以及焊料焊接的兩層材料的熱膨脹系數不同,溫度波動將引起熱應力的反復循環沖擊,焊料層之間產生的剪切應力導致薄弱處將逐漸產生細微的裂紋。在應力不超過一定限度時,這些細微裂紋并不影響焊料材料的強度,然而在反復的熱應力沖擊下,這些細微裂紋將形成裂紋源。隨著應力循環次數的增加,這些裂紋逐漸擴展,裂紋長度等級變化率也逐漸增加并隨著裂紋加速變大,進而出現分層和空洞,減小了硅芯片熱量傳導和焊料層的有效傳熱面積,導致其平均溫度升高,加速空洞的產生和封裝熱阻的增加[4],散熱能力下降,積累在芯片內的熱量越來越多,引起局部過熱,最終引發器件失效。焊料的最大損傷發生在最高、最低溫度之間的變化過程[11],如果此時應力得不到及時釋放,將導致損傷積累,相應的通態壓降和損耗增大,在IGBT可靠性分析中一般把結殼熱阻增加20%作為焊料層失效的標準[12]。

2.2 金屬鍍層重構失效

芯片硅層和金屬鍍層的熱膨脹系數不同[2],當循環幅度足夠大時,芯片中心位置產生張應力,邊緣部位產生剪切力,使已經存在的缺陷可能發展成為裂縫。隨后芯片的垂直裂縫和水平裂縫分別在張力和邊緣剪切應力的作用下增大。當裂縫在熱循環中擴展到臨界狀態時,芯片就會在沒有任何塑性形變的情況下發生失效[7]。金屬鍍層的重構減小了芯片與引線的接觸面積,加大了接觸熱阻,電流在芯片表面不均勻分布,引發器件失效。

2.3 鍵合引線上翹及熔斷失效

芯片發射極通過鍵合引線與DBC銅層連接,反復的熱應力沖擊將引起鍵合引線與芯片金屬鍍層材料屬性的變異,同時熱應力作用不斷累積,一旦超過鍵合引線與金屬鍍層焊點承受的應力極限值,鍵合引線將上翹剝離鍵合點,全部的電流加在剩余的鍵合引線上,導致更多的鍵合引線剝離鍵合點,直至所有的鍵合引線上翹。

由于通大電流造成的熱過應力、因鍵合不當造成鍵合引線上的應力、鍵合引線與芯片之間的界面上的裂紋、硅的電遷移以及過大的鍵合壓力都會造成引線鍵合失效[9]。在高結溫波動的實驗中,裂紋沿著鍵合引線小的邊界由焊接處兩端向中心擴展,當裂紋到達中心后,熱應力超出鍵合處的承受能力,導致鍵合引線剝離焊盤或翹曲完全脫離焊盤。

3 加速壽命功率循環實驗

在常規溫度梯度下,由焊料層疲勞引發模塊失效發生的周期很長,需要連續循環測試數百甚至上千小時,因此需要開展高結溫、大梯度這種極端應用條件下的加速壽命功率循環實驗。

3.1 實驗原理和實驗平臺

加速壽命實驗是在保持失效機理不變的條件下,把樣品放在高應力水平下進行的加速樣品失效的一種壽命實驗方法[13]。加速壽命實驗原理、IGBT加速壽命實驗電路和加速壽命功率循環實驗平臺如文獻[6]所述。

圖3所示IGBT模塊由構成一個橋臂的兩只IGBT以及反并聯二極管組成,IGBT模塊為在某生產廠家定做的打開封裝、去除硅膠、型號為GD50HEL 120C1S的1 200V/50A模塊。圖3中IGBT模塊基板涂抹硅脂后安裝在水冷散熱板上,通過一套水冷散熱裝置將傳遞來的熱量帶走。冷板位于工作芯片正下方的表面開有小槽,槽內放置熱電偶測量殼溫,通過一臺數字萬用表進行溫度數據采集,同時采用另一臺數字表萬用測量IGBT壓降,加熱電源采用程控電流源。所有數字表和電流源通過板卡連接到計算機,通過Labview程序控制并進行數據采集。

圖3 IGBT測試模塊

IGBT和二極管都為單芯片,芯片表面有4根并聯的鍵合引線連接到上銅層,與外部端子相接。測試時只有一只IGBT柵極端子施加15 V開通信號,另一只IGBT不工作,柵極被短接。

測試時持續施加開通信號使模塊保持在開通狀態,通過電流源的開、關來控制模塊通、斷電流。加熱電流為80～100A,采樣電流為0.1 A,每10s采樣1次,占空比d設為6/10,如圖4所示。模塊導通6s后,IGBT加熱后結溫上升,關斷4 s后,IGBT通過水冷散熱又回到初始溫度,通過控制加熱電流的大小來設定IGBT的平均結溫及其波動幅度。

圖4 功率循環測試結溫波動

3.2 實驗結果

表1中每組循環樣本數為5個,循環次數取算術平均值,誤差分布為9.1%。其中IH為加熱電流,d為占空比,Tjmax為最高結溫,Nf為失效發生時的循環次數。根據表1所得實驗結果分析IGBT壽命分布規律。

表1 IGBT功率循環實驗數據

4 實驗結果分析

在溫度應力水平s下,IGBT模塊的壽命Nf服從Weibull分布,其分布函數為

(1)

式中:α為形狀參數,它直接影響著Weibull函數失效密度分布曲線的幾何形狀;β為IGBT模塊的壽命值,它決定著失效密度分布曲線的陡度。

Weibull分布的失效密度函數為

(2)

采用極大似然估計法對Weibull分布函數的形狀參數和特征壽命進行估計。Weibull分布似然函數為

(3)

對式(3)取對數并求導,得到似然方程式如下

(4)

經整理化簡后可得

(5)

式(4)、式(5)為超越方程,利用數值迭代方法進行求解α、β。根據式(5)并結合表1中的實驗數據,計算得到各應力下Weibull分布函數及相關參數,見表2,其中θ為相關系數,a為擬合直線斜率。

表2 實驗壽命值Weibull分布及相關參數

由表2得到的各應力水平下的θ接近于1,說明IGBT模塊的壽命值近似服從Weibull分布。

5 失效觀測及失效特征分布規律

5.1 表面觀測

采用高景深三維顯微鏡VHX-1000,觀察表1中第1組模塊表面鍵合引線剝離芯片金屬鍍層、上翹引發的失效過程中芯片表面鍍層以及其他各層的變化特征。功率循環前、循環16000次后、循環18 000次后、失效后對應的表面觀測和芯片晶格顯微觀測分別如圖5a和圖6a、圖5b和圖6b、圖5c和圖6c、圖5d和圖6d所示,功率循環前和失效后絕緣保護環分別如圖7a、圖7b所示。

(a)功率循環前 (b)功率循環16000次后

(c)功率循環18 000次后(d)失效后

(a)功率循環前(b)功率循環16000次后

(c)功率循環18 000次后 (d)失效后

(a)功率循環前 (b)功率循環后

比對圖5a～圖5d,經過功率循環多次沖擊之后發現模塊表面變色,芯片表面由銀白色逐漸變成灰白色,DBC銅層由規則的暗紅色變成了出現一些褐紅色區域。

從圖6、圖7比對可以看出,芯片中心區域、邊緣絕緣保護環原胞結構均由規則點陣變化為點陣中出現了小的黑圈、空穴、裂紋或裂縫,變得不再規則。這將導致原胞之間接觸壓力減小,引起原胞之間電阻率和導熱系數增大,模塊總電阻和結殼熱阻相應增加。當疲勞循環數繼續增加,將引起模塊整體散熱能力的進一步下降,在芯片積累更多的熱量,使芯片內部結溫和表面溫度進一步上升,不斷地熱沖擊最終會引發熱擊穿,從而引發模塊失效。

5.2 鍵合引線形變觀測

表1中第1組引線的具體形變過程如圖8所示。功率循環前鍵合引線如圖8a所示,經過約16000次沖擊之后1根鍵合引線發生輕微形變(見圖8b),功率循環繼續,電流分配不均,熱應力超出剩下引線承受的極限,導致已經發生形變的引線形變量增大和形變的鍵合引線根數增多,如圖8c、9d、9e所示,對應的循環次數分別約為17 000、17 800、18 300次。

(a)所有鍵合引線完好(b)1根鍵合引線發生形變

(c)2根鍵合引線發生形變(d)3根鍵合引線發生形變

(e)多根鍵合引線發生(f)多根鍵合引線翹曲嚴重形變剝離焊點

當鍵合處的剝離效應加劇,經過約18 970次循環后1根鍵合引線剝離鍵合點,直至經過約19 500次循環出現如圖8f所示的多根鍵合引線剝離鍵合點。

5.3 鍵合引線熔斷過程觀測

采用一臺型號為Xenics的高速紅外熱像儀對IGBT芯片表面瞬態溫度進行監測和記錄。實驗發現,IGBT出現失效的部位都是鍵合引線,且表現形式為熔斷。在熔斷瞬間,紅外熱像儀連續拍攝到的IGBT圖像及對應的溫度分布如文獻[6]中圖9、圖10所示。由文獻[6]中圖10可知,鍵合引線溫度比芯片表面溫度最高時高出約200℃。

5.4 焊料層觀測

利用超聲波掃描顯微鏡PVA SAM 300掃描失效之后的IGBT模塊內部分層、空洞、裂紋等缺陷,測試標準采用美國封裝電子器件的聲顯微鏡檢測標準IPC/JEDEC J-STD-035。表1中第1、2組模塊失效后檢測結果分別如圖9、圖10所示。

(a)基板與DBC下銅層間焊料層

(b)DBC陶瓷層與DBC下銅層間界面

(c)DBC陶瓷層與DBC上銅層間界面

(d)芯片和DBC上銅層間焊料層

圖9a中白點為焊料層上的分層缺陷,圖9b中白點為該層的分層缺陷,模塊右側底部的白色區域為不平整造成。圖9c中黑影為上層缺陷的投影,白點為該層的分層缺陷。圖9d芯片中間黑點為該層的分層缺陷。

由圖9可知,IGBT模塊各層接觸面間的缺陷由芯片向下呈遞減趨勢,上銅層與芯片之間焊料層中的分層缺陷最多。下銅層與基板之間焊料層中的分層缺陷最少,且其分層缺陷基本分布在邊緣區域,這是由于邊緣區域是熱應力集中的區域導致的。其他各層的分層缺陷分布具有一定的分散性。對比圖9和圖10可以發現,隨著循環次數的增多,各層的分層缺陷增加得并不多。這表明在實驗所設定的工作條件下,當鍵合引線翹曲引發失效時,焊料層發生的變化不大,還未達到由于焊料層疲勞引發失效的程度。

(a)基板與DBC下銅層間焊料層

(b)DBC陶瓷層與DBC下銅層間界面

(c) DBC陶瓷層與DBC上銅層間界面

(d) 芯片和DBC上銅層間焊料層

對測試模塊進行不平整度掃描如圖11所示。評估標準采用美國固態表面封裝器件的受潮-吸潮狀況的分類標準IPC/JEDEC J-STD-020C。

(a)樣品中間垂直方向

(b)整個樣品基板表面

由圖11所示,IGBT模塊各物理層不平整度由基板向上呈遞減趨勢,即基板不平整度最大,且集中在正對工作芯片區域的邊緣位置。這主要是由于基板是一塊完整銅板,而DBC以及芯片均是切割后的小塊,受熱沖擊面積小。

5.5 電氣、傳熱特性參數測量

以表1中第1組加速壽命循環實驗為例,對IGBT模塊的結溫、殼溫、VCE以及熱阻參數的變化進行了實時監控,變化如表3所示。

表3 實驗中各參數的變化情況

從表3數據可以看出,隨著循環次數的增加,IGBT壓降值逐漸增大,臨近失效前比初始狀態增大了約10.7%。由于壓降增大,產生的功耗增加,結溫和殼溫都略有升高,但是計算得到的熱阻幾乎沒有變化,與一般溫度下由熱阻增大引起溫度和壓降升高,從而引發失效的現象不同。這是由于在高溫循環沖擊下,IGBT首先是芯片表面金屬層與鍵合引線的材料特性發生變化,引起壓降增大,而焊料層還沒有開裂或空洞出現,只是出現微小的缺陷,因此熱阻基本沒有變化。此時溫度的升高是由于壓降增大引起功耗的增大,而不是熱阻增加引起散熱性能下降,在失效機理上是完全不同的。

由表3還可以看出,測試開始時壓降基本不變,當接近失效時,壓降急劇增大,即d(ΔVCE)/dt很大,存在變化的轉折點。因此,可將壓降的突變位置作為可靠性評估的標準,約為2.52 V,即壓降增大約3%。

6 結 論

(1)高溫功率循環實驗結果表明:高結溫、大溫度梯度極端工作方式下,IGBT封裝失效類型主要是鍵合引線翹曲與熔化,由于鍵合點兩端材料熱膨脹系數失配,在溫度波動過程中產生剪切應力,導致鍵合引線剝離芯片金屬層,引起電流分配不均,進而可能會出現所有鍵合引線均上翹。

(2)鍵合引線失效改變了芯片表面結構,導致芯片金屬鍍層鈍化或重構,因此不可避免地對一些關鍵電氣參數產生很大影響,如VCE在此種失效類型下變化很大。在失效標準里將其變化5%作為判斷標準[14],文獻[15]定義的失效標準為:VCE有10%的變化,芯片下焊料層有50%的面積出現分層,襯底焊料層處有20%的面積出現分層,鋁絲鍵合引線剪切應力下降90%。實際上后3個量很難測量,在實際實驗過程中發現,VCE失效前會增大7%～10%,且失效前d(ΔVCE)/dt很大,而熱阻基本不變,可將壓降的突變位置作為IGBT可靠性評估的標準。

(3)采用高景深三維顯微鏡、高速紅外熱像儀和超聲波掃描顯微鏡,對實驗過程中以及模塊失效后的表面顯微結構,鍵合引線形變翹曲和熔斷過程以及各層分層、空洞和缺陷進行觀測。對應的失效特征分布規律表明:經過功率循環后的芯片表面中心區域、邊緣絕緣保護環原胞結構均由規則點陣變化為點陣中出現了小的黑圈、空穴、裂紋或裂縫,變得不再規則;各物理層接觸面間的缺陷由芯片向下呈遞減的趨勢;IGBT模塊各物理層不平整度由基板向上呈遞減的趨勢。

(4)通過分析得到IGBT模塊的壽命值近似服從Weibull分布。

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(編輯 杜秀杰)

FailureCharacteristicsandMechanismAnalysisofIGBTModulesunderHigh-TemperaturePowerCycling

CHEN Ming

(Naval Military Representative Office in Guangzhou No.427 Company, Guangzhou 510715, China)

Failure types and mechanism of IGBT modules according to the module structure and different operation stages are analyzed, and three types of package failure mechanism affecting the lifetime of IGBT are discussed.The package failure types and modes are concerned with the lift-off and meltdown of bonded-wires, solder fatigue, and reconstruction of metallization.The failures of bonded-wires are generally caused by a great change in junction temperature and high temperature gradient.The detection and inspection of the failure process of bonded-wires, the structure of chip surface, and the delamination and cracks and voids in solder layers by means of the instruments demonstrate that the main failure mode of high junction temperature and temperature gradient is the lift-off and meltdown of bonded-wires.The overload of one or more bonded-wires leads to an unbalanced distribution of the current.WhenVCEgradually becomes big, then a sharp jump happens before failure, the junction-case thermal resistance remains steady, and the value of IGBT lifetime is approximate to that of Weibull distribution.By investigating various microscopes and infrared thermal imaging, the failure characteristics are obtained.Failure characteristic distribution show that after power cycle, the central area of the chip surface, insulating protective ring of the original cell structure become no longer symmetry with small black circles, holes, and cracks.The defects of the contact physical layer decrease downwardly.From baseplate to chip surface, IGBT module flatness of the physical layer exhibits a decreasing trend.The sharp jump position ofVCEcan be considered as the IGBT reliability evaluation standard.

insulated gate bipolar transistor; power cycling; failure; bonded-wire; solder

2013-08-26。

陳明(1982—),男,博士,工程師。

國家自然科學基金重點資助項目(50737004)。

時間:2013-12-25

10.7652/xjtuxb201404021

TN32

:A

:0253-987X(2014)04-0119-08

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20131225.1701.002.html