| IGBT: 封装失效与芯片失效 |
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| (2012-12-19 9:04:00) 2944人次浏览 |
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IGBT功率器件失效机理探讨：封装失效与芯片失效
1、引言
实际应用中，IGBT与二极管硅芯片大多经专门结构封装在标准模块之中并构成具备独立功能的换流电路，如单相或多相桥臂。其中，半导体硅芯片负责完成换流而封装结构则提供电气连接、绝缘、散热以及机械强度等辅助功能。IGBT功率模块的失效是其内部疲劳逐渐积累并与外部运行环境等多种因素相互作用的结果。根据失效原因，大致可把功率模块失效方式分为与封装以及与芯片相关的失效。下面将分类对IGBT模块的几种典型失效方式及其机理进行介绍。
2.1 与封装相关的失效
IGBT功率模块的典型结构如图1所示。其特殊的多层结构及不同材料间热膨胀系数的不匹配将在长期热循环冲击作用下引起材料的疲劳与老化，并最终导致模块因芯片引线断裂或温度增加而失效。另外，制造过程中可能在焊接层与引线中产生初始裂纹与空洞，这将加速封装材料疲劳从而增加失效可能性。
2.1.1 引线脱落
引线一般通过键合工艺连接到半导体芯片上以便将器件的电流引出到功率模块。为提高电气连接可靠性，功率模块中各芯片均通过多根引线并联引出。然而实际运行中，一根引线的脱落会加速其它引线相继脱落，最终造成IGBT模块故障。对铝引线脱落失效机理，目前人们已经作过不少研究，由于铝引线和硅芯片两种不同材料热膨胀系数的差异，功率循环过程中温度反复上下波动将在焊接面产生交变热机应力以及引线自身弯曲形变应力，这将导致铝引线与硅芯片间焊接面之间产生裂纹并逐渐扩散，最终导致引线脱落。利用SEM技术（扫描式电子显微镜技术）可清晰观察到引线脱落后硅芯片焊接面留下的裂纹与空洞痕迹[13]。实际上，在不同幅度温度波动的条件下IGBT模块失效的方式有所差异。文献[14]研究认为：功率循环过程中，如果温度波动幅度ΔTj≥100K，模块内部的热阻将不会发生明显变化，但产生的剪切应力很可能导致引线脱落失效；如果温度波动较小，则更容易导致焊接层疲劳老化，内部热阻增大，最后导致其失效。不同的铝引线键合工艺也会影响其脱落的过程[15]。与传统的直接键合法相比，在IGBT焊接面敷设金属钼可减缓功率循环过程中产生的剪切应力，在引线键合后涂加聚合物保护层可以缓和裂纹的扩散，较好改善引线失效进程，延长功率模块的寿命。通过上述分析可知，引线脱落失效受多种因素影响，深入理解其失效机理有助于研究相应技术以监测引线失效过程防止灾难性事故的发生并为系统基于状态的维护提供依据。
2.1.2 焊接层疲劳
焊接层疲劳被认为是IGBT功率模块的另一种主要失效方式，国内外许多学者对焊接层疲劳的失效机理展开过广泛而深入的研究[16-20]。如图2(b)所示，IGBT模块由异质材料构成多层结构，在热循环过程中不同热膨胀系数的材料会产生交变应力，使材料弯曲变形并发生蠕变疲劳，从而导致硅芯片与基板之间以及基板与底板之间的焊接层中产生裂纹并逐渐扩散，最终导致失效或分层。文献[17-19] 采用SEM技术研究了在热循环过程中IGBT模块的焊接层疲劳失效的机理。实验结果观测到热机应力将在焊接层中产生空洞和裂纹，并随着热循环周次的增加，这种裂纹损伤将不断积累扩大最终导致模块失效。随着焊接层疲劳程度的增加，空洞与裂纹的发展将导致焊接层有效接触面积逐渐减小，这将引起模块内部热阻增加、芯片结温增加并最终造成芯片过热而烧毁。考虑到芯片结温的设计余量，一般以模块内部热阻增加20%作为焊接层疲劳失效的临界指标[20]。实际上，在IGBT模块封装过程中由于工艺不完善，焊接层中的初始空洞就已经形成并在热应力作用下逐渐扩大。封装过程中产生初始空洞的大小与IGBT失效之间也存在较大关系[21]。
2.2 与芯片相关的失效
作为功率模块的核心，半导体芯片失效是造成模块故障的最终原因。传统观点大多认为芯片故障是在瞬间发生的，很难通过状态监测避免故障的发生。但实际上，前人的研究表明任何失效机理大多有一个积累与发展的过程，这为状态监测技术的实施提供了可能。为研究功率模块的状态监测技术，有必要深入理解芯片的各种失效机理。
2.2.1 电气过应力（EOS）
电气过应力失效通常与过电压和过电流有关。其中高电压状态下的热效应及一些功率器件中二次击穿是大家主要关注的问题[22]。为此需要在功率器件应用中充分考虑散热要求，确保功率器件在安全工作区中运行。另外电压上升过快会产生很大的位移电流，可能使IGBT误触发造成短路而失效[23]。考虑到设计余量以及电气过应力失效的机理，功率器件一般对电气过应力特别是过电流具有一定程度的承受能力。
2.2.2 静电荷放电（ESD）
静电荷放电可能局部刺穿栅极氧化层，这使得器件可能通过产品检验并在运行一段时间后才产生失效。如果栅极缺乏适当保护电路，在过高电压作用下可能会引起静电荷放电导致栅极短路而失效。对于局部栅极失效，可通过测量栅极充电衰减时间常数的方法进行检测。实际应用中，静电荷放电引起模块失效事故时有发生且不易避免，因此研究局部静电荷放电在线监测技术将是工程界关注的课题。
2.2.3 闩锁效应和触发寄生晶体管
关断过程中过大电压变化率可能触发IGBT内部寄生晶闸管或MOSFET内寄生双极性晶体管，从而产生闩锁效应造成功率器件短路。尽管通过半导体优化设计该问题已得到很大改善，然而监测并限制反向偏置安全工作区中的最大电压上升率对避免闩锁效应仍然十分重要。
2.2.4 电荷效应：离子污染和热载流子注入
这是两种功率MOSFET常见的失效方式：第一种是由于高电场区离子污染的积累作用而导致电场变形，而第二种则由栅极氧化层缺陷增长引起的[22]。高温运行过程中，当载流子获得的能量超出晶格势垒范围，热载流子能够射入栅极氧化层或其它连接层[28]。当然，对基于栅极MOS结构的功率器件如IGBT，由于栅极具有相对较厚的氧化层，热载流子射入现象比较少见。这两种失效机理会导致器件外部特性，如栅极阀值电压，漏电流，跨导或者饱和电流等发生变化并最终导致器件失效。
2.2.5 电子迁徙、接触和应力导致的迁徙
由于电动势，内部扩散以及制造过程中的机械应力等，可能导致原子发生迁徙。这些机理都与半导体器件的金属化相关并影响功率器件长期可靠运行。由于功率器件具有较大的面积而不易出现这类失效，但是接触迁徙被认为是肖特基二极管中的一个问题。在反复短路实验过程中可以观察到铝引线键合区重建现象，尤其在高温度条件下，会导致电阻增大。
2.2.6 热激发
由于温度升高，热激发过程会被加强，根据Arrenius定律可知：激化率∝exp（-Ea/RT），其中Ea是激化能量（J/mol），T是温度（K），R是气体常数（J/mol/K）。几乎所有的硅半导体器件失效过程都会因温度升高而加速。
2.2.7 外部辐射-运动的离子和微粒
双极型和金属氧化物功率器件均会受外部辐射的影响。在航空电子应用方面，发生过因电离和位移电流引起功率半导体破坏的事例，而地面系统中的电子器件也可能受到宇宙射线的轰击电。
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