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雙向直流電源IGBT在一些情況下為什么會封裝失效

文章出處:admin 人氣:發表時間:2019-04-14 06:44

    1 雙向直流電源IGBT模塊結構雙向直流電源IGBT模塊主要由若干混聯的雙向直流電源IGBT芯片構成,個芯片之間通過鋁導線實現電氣連接。標準的雙向直流電源IGBT封裝中,單個雙向直流電源IGBT還會并有續流二極管,接著在芯片上方灌以大量的硅凝膠,最后用塑料殼封裝,雙向直流電源IGBT單元堆疊結構如圖1-1所示。

    雙向直流電源IGBT的封裝失效原因分析
    雙向直流電源IGBT的封裝失效原因分析從上之下它依次由芯片,DBC(Directed Bonding Copper)以及金屬雙向直流電源IGBT散熱板(通常選用銅)三部分組成。DBC由三層材料構成,上下兩層為金屬層,中間層是絕緣陶瓷層。相比于陶瓷襯底,DBC的性能更勝一籌:它擁有更輕的重量,更好的導熱性能,而且可靠性更好。

    2 雙向直流電源IGBT的封裝失效機理雙向直流電源功率器件的可靠性是指在規定條件下,雙向直流電源器件完成規定功能的能力,通常用使用壽命表示。由于半導體雙向直流電源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。在電力電子雙向直流電源器件的工作過程中,首先要應對的就是熱問題,它包括穩態溫度,溫度循環,溫度梯度,以及封裝材料在工作溫度下的匹配問題。

    由于雙向直流電源IGBT采取了疊層封裝技術,該技術不但提高了封裝密度,同時也縮短了芯片之間導線的互聯長度,從而提高了雙向直流電源器件的運行速率。但也正因為采用了此結構,雙向直流電源IGBT的可靠性受到了質疑。不難想象,雙向直流電源IGBT模塊封裝級的失效主要發生在結合線的連接處,芯片焊接處,基片焊接處和基片等位置。

    在通常的功率循環或溫度循環中,芯片,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。熱膨脹系數(CTE,Coefficient of Thermal Expansion)是材料的一項重要性能指標,指的是在一定溫度范圍內溫度每升高1度,線尺寸的增加量與其在0度時的長度的比值。圖1-2是雙向直流電源IGBT堆疊結構中常用材料的熱膨脹系數,由于各自材料的熱膨脹系數不同,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,雙向直流電源器件的熱行為與模塊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。

    雙向直流電源IGBT的封裝失效原因分析圖1-3標注了雙向直流電源IGBT模塊在工作過程中容易發生疲勞損耗的點,具體有:

    雙向直流電源IGBT的封裝失效原因分析鋁接合導線的脫離雙向直流電源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,例如硅鎂或硅鎳合金,鋁的硬度會大大提升因而抗腐蝕性得以控制。由于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于導線自身的歐姆熱效應帶來的熔化。由于鋁接合線是直接接在芯片或壓力緩沖器上,會承受較大的溫度變化,而雙向直流電源IGBT模塊是由不同熱膨脹系數的材料構成,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。 鋁導線的重構在熱循環測試中,熱膨脹系數的不匹配會造成鍵合表面周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范圍。

    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。這也解釋了為什么隨著周期性測試,Vce也呈線性增加的趨勢。

    焊料疲勞與焊料空隙芯片與襯底之間的焊料層因熱膨脹系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,如此溫度正反饋會使裂痕越演越烈,最終導致雙向直流電源器件的失效。焊料層內的空洞會影響溫度熱循環,雙向直流電源器件的雙向直流電源IGBT散熱性能降低,這也會促進溫度的上升,從而加快模塊的損壞。并且,應力與應變之間存在著滯回現象,在不斷地溫度循環當中,材料的形狀實時地發生改變,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循環,造成局部溫度過高,這也是模塊失效的一個重要原因。

    晶圓及陶瓷裂痕在雙向直流電源IGBT七層結構中,因熱膨脹系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,并且同層材料的不同部分也會因為溫度分布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。 

此文關鍵字:雙向直流電源IGBT在一些情況下為什么會封裝失效

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