半导体/芯片

压接型IGBT的失效模式与失效机理 失效率是可靠性最重要的评价标准，所以研究IGBT的失效模式和机理对提高IGBT的可靠性有指导作用。 压接型IGBT器件与焊接式IGBT模块封装形式的差异最终导致两种IGBT器件的失效形式和失效机理的不同，如表1所示。本文针对两种不同封装形式IGBT器件的主要失效形式和失效机理进行分析。  1. 焊接式IGBT模块 封装材料的性能是决定模块性能的基础，尤其是封装材料的可靠性对模块的可靠性具有非常重要的影响，其中最主要的指标是热膨胀系数，其次是电导、热容和热导率等。材料热膨胀系数的不同往往是造成模块失效的根本原因。  IGBT会在不同条件下产生温度波动，材料热膨胀系数的不同会导致热应力不同，从而对器件内部产生影响。所以相邻界面材料的热膨胀系数差异应尽可能小。焊接式IGBT模块封装常用材料的热膨胀系数(α)如图1所示。 图1 不同封装材料的热膨胀系数  1.1键合引线脱落 焊接式IGBT模块的失效模式中，键合引线的脱落是最容易发生的，有资料表明引线的脱落可以占到IGBT模块失效的70%左右。如图2所示，键合引线一般是铝引线，在引线长期受热应力反复作用达到一定程度后，电流快速流过时发生电弧闪络，就会造成键合线剥落脱离，在键合线与芯片相接触部分的界面上产生焊坑，并且可以在芯片上检测到焊料残留。 图2 键合引线脱落和焊线剥离区  如图3所示，其实在焊线脱离之前，由于功率循环的作用，剪切应力不断施加在界面上，会导致焊料层因材料疲劳出现裂纹，裂纹生长甚至出现分层、空洞或气泡，并最终导致引线的脱落。 图3 引线脱落示意图  改进焊接的工艺，如利用超声键合技术和利用铜引线键合技术可以显著提高引线的粘附质量。利用银烧结技术和在焊线上涂聚酰亚胺也会实现很好的功率循环能力，一定程度提高焊线和焊层的寿命。  1.2焊接层疲劳 焊料层疲劳也是一种常见的焊接式IGBT模块失效模式。所谓的焊料疲劳是由于焊层与接触面断裂或分层，造成器件的热阻增加，加快了器件整体的失效，如图4 所示。图5 为1200V/150A IGBT芯片工作时表面的温度分布，芯片对角线的温度梯度差达到了40℃，焊料界面退化的直接原因是由于热膨胀系数的差别引起的高应力。焊料界面的断裂增加了相应芯片区域的局部热阻，从而使芯片温度局部增加。 图4 焊接层失效示意图 图5 1200V IGBT芯片红外图像(@150A)  如果断裂从边缘开始，温度相对较低的芯片区域温度增加，而芯片中心最高温度保持不变。当断裂从中心最高温度开始时，芯片中心最高温度会迅速增加。这种正反馈循环加速会加快整个界面焊料层的疲劳进度，因而会降低功率模块的寿命。  1.3金属化重建 焊接式IGBT模块经历反复温度波动后会在金属化的铝层中出现颗粒状的结构。在结温高于110℃时，温度循环加热阶段的周期性应力会导致颗粒超过其弹性应变极限，从而导致塑性变形。利用扫描声学显微镜(SAM)可以很好地检测，图6给出了功率循环期间各种不同温度的影响。图6(a)给出了3200000个功率循环，在85～125℃时的IGBT表面金属化图像;图6(b)给出了7250个功率循环，功率循环温度差ΔT=131K，θhigh=171℃时IGBT表面金属化图像;图6(c)给出了16800个功率循环，40～200℃后二极管的表面金属化图像。 图6 功率循环期间表面金属化重建随最高温度θhigh的变化情况  接触面的金属层重建导致接触电阻增加是产生故障的根本原因。比如经过几百次功率循环后，AlN衬底上的铝层厚度可以达到300µm，界面的表面粗糙度增加超过10倍。有研究表明引线键合边缘部分下面的重建效应被抑制，原因是聚酰亚胺覆盖层抑制了表面金属化重建，因为任何覆盖层都将限制颗粒的运动，如图7所示。 图7 焊线脱落后键合区边缘的SAM图像   焊接式IGBT模块和压接型IGBT器件内部都是多层结构。焊接式IGBT是将Si芯片通过焊料焊接在DCB板上，再通过铝键合引线连接Si芯片和外接电路。其中键合线脱落是焊接式IGBT模块最常见的失效模式。焊接式IGBT模块通过各个不同材料焊接在一起，不同材料热膨胀系数的不同是焊接式IGBT模块失效的最主要的原因。压接型IGBT是靠压力将各部件连接，这样完全消除了传统焊接式IGBT技术中与键合线和焊接层相关的失效形式。压接型IGBT器件虽然消除了键合线和焊接层带来的失效，但引入了外部压力以及弹簧，所以存在一些由于压力不均匀或弹簧疲劳带来的失效。   所以在提高IGBT器件可靠性时，新材料的研发和使用至关重要。同时，利用一些新技术也可以提高IGBT的可靠性。很少有文献提到对压接型IGBT比如选用材料、芯片布局和制造工艺等技术上的改进，这也是以后需要进一步深入研究的方面。

为了打破垄断，需要我们贡献一份力量

在我们生活和发展当中，半导体已经成为了我们不可分割的一部分，我们用的手机芯片，电脑，家庭等用具都是离不开的。与我们生活息息相关。我看好半导体的发展，也希望国家会出现更多更多半导体人才。打破外国的垄断。

半导体企业，基本是进口设备。所以国内市场自己的产品比较少。我们还需努力学习。

这有什么难的咯，谁都可以呀～