高温功率循环下绝缘栅双极型晶体管失效特征及机理分析

陈明

(海军驻广州四二七厂军事代表室, 510715, 广州)

高温功率循环下绝缘栅双极型晶体管失效特征及机理分析

陈明

(海军驻广州四二七厂军事代表室, 510715, 广州)

结合绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块结构和工作的不同阶段,分析了IGBT失效类型及其失效机理。深入分析了影响IGBT工作寿命的3种封装失效类型及失效机理。高结温、大温度梯度极端工作方式下主要的封装失效类型是键合引线失效,由某一根或几根过载引起电流分配不均引发,失效前压降大,热阻基本不变。通过分析得到IGBT模块的寿命值近似服从Weibull分布。实验过程中结合各类显微镜和红外热像仪得出的失效特征分布规律表明:经过功率循环后的芯片表面中心区域、边缘绝缘保护环原胞结构均由规则点阵变化为点阵中出现小的黑圈、空穴、裂纹,变得不再规则;各物理层接触面间的缺陷由芯片向下呈递减趋势;IGBT模块各物理层不平整度由基板向上呈递减趋势。通过实际实验发现,可将压降的突变位置作为IGBT可靠性评估的标准。

绝缘栅双极型晶体管;功率循环;失效;键合引线;焊料层

在各类电力电子装置中,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是目前应用最为广泛的全控型电力电子器件。IGBT工作时产生的功耗主要通过传导垂直向下传递,最后被安装在基板下的散热器带走,从而在芯片与基板间由高到低形成温度分布[1]。在PWM工作方式下,IGBT模块不断地重复加热、冷却,各层材料反复地加热膨胀和冷却收缩。模块不同层的材料不同,对应的热膨胀系数不同[2],热膨胀系数小的受到拉应力而拉伸,热膨胀系数大的受到压应力而压缩,热应力长期的反复冲击引起材料属性发生变化,导致IGBT的传热、电气等特性改变,可靠性降低甚至引发封装失效。

IGBT封装失效是在温度梯度与热应力的反复冲击下,由封装材料的疲劳引发的,其中键合引线、键合点、芯片及焊料层是IGBT封装结构中最脆弱的部分,所以其工作寿命主要由键合引线、键合点、芯片及焊料层承受热应力和形变的能力、强度决定。文献[3]提出不同结温波动幅度ΔTj和结温平均值Tm对应不同失效类型,即ΔTj<80K时是焊料层失效,ΔTj≈100K时是键合引线的上翘失效。文献[4-5]指出,ΔTj≥130K时主要的失效类型为焊料层疲劳,ΔTj<130K时主要的失效类型为键合引线上翘。明显地,上述文献表述的失效差别很大。

针对封装失效研究,一般通过可靠性功率循环测试、寿命预测和可靠性评估分析来开展[6]。实验测试的方法是直接通过实验手段对IGBT的可靠性进行测试,有温度循环和功率循环两种,其中功率循环测试更为贴近实际工况,是最主要的可靠性测试方法。IGBT经过高温下的功率循环[7-8]之后,各层中分层、空洞和缺陷、平整度的变化规律,以及这些变化规律与不同的循环次数之间的关系目前还没有文献给出相关结论。本文针对上述问题开展了高温下IGBT功率循环实验,对实验结果、失效特征及分布规律和失效机理进行分析。

1 IGBT芯片结构及失效类型

IGBT芯片分为硅片层和镀层。镀层镀在硅芯片上表面,由金属层和边缘保护层两部分组成,如图1所示。中心区域的金属层镀铝,一是保护芯片的完整,还可以减小键合处的热膨胀率,使键合处两端的材料尽可能一致。边缘区域镀Si3N4,对芯片起绝缘保护、阻断高压的作用。

图1 IGBT芯片表面结构

结合IGBT工作的不同阶段,IGBT失效类型及其失效机理如下:①开通阶段的电击穿通常是出现在短路的开通时刻,失效的发生由器件的耗尽层参数以及短路时的电流特性决定;②导通过程中的热击穿一般会有短时的温度累积过程,出现在连续导通一串脉冲后,在短路条件下也可能出现在单个脉冲的导通过程中;③关断时刻的擎柱效应与电击穿;④断态下漏电流引起的热击穿;⑤封装失效是一种与IGBT寿命和可靠性相关的渐变失效,当电应力或热应力的冲击过大时,由于焊料的分层与空洞、键合引线的熔化导致脱焊、金属表面裂缝等,使得器件可靠性下降,引发器件失效[9-10]。

2 IGBT封装失效类型及其机理

由于芯片和封装材料的热膨胀系数不同,因此会产生不同的热形变,这就是引发封装失效的主要机理。硅芯片的本征温度约为230℃,远高于结温最高允许值175 ℃。制约器件最高工作结温的关键因素是封装结构及技术,特别是焊料层、键合引线及键合技术,对应地最主要的封装失效类型[7]有焊料层疲劳、键合引线上翘和金属镀层重构失效3种,具体如图2所示。

图2 IGBT模块主要封装失效位置及类型

2.1 焊料层疲劳失效

焊接材料包括3个位置:电气端子与铜层的焊接、芯片与铜层的焊接及直接覆铜陶瓷层(DBC)与基板的焊接。由于焊料本身的不均匀性以及焊料焊接的两层材料的热膨胀系数不同,温度波动将引起热应力的反复循环冲击,焊料层之间产生的剪切应力导致薄弱处将逐渐产生细微的裂纹。在应力不超过一定限度时,这些细微裂纹并不影响焊料材料的强度,然而在反复的热应力冲击下,这些细微裂纹将形成裂纹源。随着应力循环次数的增加,这些裂纹逐渐扩展,裂纹长度等级变化率也逐渐增加并随着裂纹加速变大,进而出现分层和空洞,减小了硅芯片热量传导和焊料层的有效传热面积,导致其平均温度升高,加速空洞的产生和封装热阻的增加[4],散热能力下降,积累在芯片内的热量越来越多,引起局部过热,最终引发器件失效。焊料的最大损伤发生在最高、最低温度之间的变化过程[11],如果此时应力得不到及时释放,将导致损伤积累,相应的通态压降和损耗增大,在IGBT可靠性分析中一般把结壳热阻增加20%作为焊料层失效的标准[12]。

2.2 金属镀层重构失效

芯片硅层和金属镀层的热膨胀系数不同[2],当循环幅度足够大时,芯片中心位置产生张应力,边缘部位产生剪切力,使已经存在的缺陷可能发展成为裂缝。随后芯片的垂直裂缝和水平裂缝分别在张力和边缘剪切应力的作用下增大。当裂缝在热循环中扩展到临界状态时,芯片就会在没有任何塑性形变的情况下发生失效[7]。金属镀层的重构减小了芯片与引线的接触面积,加大了接触热阻,电流在芯片表面不均匀分布,引发器件失效。

2.3 键合引线上翘及熔断失效

芯片发射极通过键合引线与DBC铜层连接,反复的热应力冲击将引起键合引线与芯片金属镀层材料属性的变异,同时热应力作用不断累积,一旦超过键合引线与金属镀层焊点承受的应力极限值,键合引线将上翘剥离键合点,全部的电流加在剩余的键合引线上,导致更多的键合引线剥离键合点,直至所有的键合引线上翘。

由于通大电流造成的热过应力、因键合不当造成键合引线上的应力、键合引线与芯片之间的界面上的裂纹、硅的电迁移以及过大的键合压力都会造成引线键合失效[9]。在高结温波动的实验中,裂纹沿着键合引线小的边界由焊接处两端向中心扩展,当裂纹到达中心后,热应力超出键合处的承受能力,导致键合引线剥离焊盘或翘曲完全脱离焊盘。

3 加速寿命功率循环实验

在常规温度梯度下,由焊料层疲劳引发模块失效发生的周期很长,需要连续循环测试数百甚至上千小时,因此需要开展高结温、大梯度这种极端应用条件下的加速寿命功率循环实验。

3.1 实验原理和实验平台

加速寿命实验是在保持失效机理不变的条件下,把样品放在高应力水平下进行的加速样品失效的一种寿命实验方法[13]。加速寿命实验原理、IGBT加速寿命实验电路和加速寿命功率循环实验平台如文献[6]所述。

图3所示IGBT模块由构成一个桥臂的两只IGBT以及反并联二极管组成,IGBT模块为在某生产厂家定做的打开封装、去除硅胶、型号为GD50HEL 120C1S的1 200V/50A模块。图3中IGBT模块基板涂抹硅脂后安装在水冷散热板上,通过一套水冷散热装置将传递来的热量带走。冷板位于工作芯片正下方的表面开有小槽,槽内放置热电偶测量壳温,通过一台数字万用表进行温度数据采集,同时采用另一台数字表万用测量IGBT压降,加热电源采用程控电流源。所有数字表和电流源通过板卡连接到计算机,通过Labview程序控制并进行数据采集。

图3 IGBT测试模块

IGBT和二极管都为单芯片,芯片表面有4根并联的键合引线连接到上铜层,与外部端子相接。测试时只有一只IGBT栅极端子施加15 V开通信号,另一只IGBT不工作,栅极被短接。

测试时持续施加开通信号使模块保持在开通状态,通过电流源的开、关来控制模块通、断电流。加热电流为80～100A,采样电流为0.1 A,每10s采样1次,占空比d设为6/10,如图4所示。模块导通6s后,IGBT加热后结温上升,关断4 s后,IGBT通过水冷散热又回到初始温度,通过控制加热电流的大小来设定IGBT的平均结温及其波动幅度。

图4 功率循环测试结温波动

3.2 实验结果

表1中每组循环样本数为5个,循环次数取算术平均值,误差分布为9.1%。其中IH为加热电流,d为占空比,Tjmax为最高结温,Nf为失效发生时的循环次数。根据表1所得实验结果分析IGBT寿命分布规律。

表1 IGBT功率循环实验数据

4 实验结果分析

在温度应力水平s下,IGBT模块的寿命Nf服从Weibull分布,其分布函数为

(1)

式中:α为形状参数,它直接影响着Weibull函数失效密度分布曲线的几何形状;β为IGBT模块的寿命值,它决定着失效密度分布曲线的陡度。

Weibull分布的失效密度函数为

(2)

采用极大似然估计法对Weibull分布函数的形状参数和特征寿命进行估计。Weibull分布似然函数为

(3)

对式(3)取对数并求导,得到似然方程式如下

(4)

经整理化简后可得

(5)

式(4)、式(5)为超越方程,利用数值迭代方法进行求解α、β。根据式(5)并结合表1中的实验数据,计算得到各应力下Weibull分布函数及相关参数,见表2,其中θ为相关系数,a为拟合直线斜率。

表2 实验寿命值Weibull分布及相关参数

由表2得到的各应力水平下的θ接近于1,说明IGBT模块的寿命值近似服从Weibull分布。

5 失效观测及失效特征分布规律

5.1 表面观测

采用高景深三维显微镜VHX-1000,观察表1中第1组模块表面键合引线剥离芯片金属镀层、上翘引发的失效过程中芯片表面镀层以及其他各层的变化特征。功率循环前、循环16000次后、循环18 000次后、失效后对应的表面观测和芯片晶格显微观测分别如图5a和图6a、图5b和图6b、图5c和图6c、图5d和图6d所示,功率循环前和失效后绝缘保护环分别如图7a、图7b所示。

(a)功率循环前 (b)功率循环16000次后

(c)功率循环18 000次后(d)失效后

(a)功率循环前(b)功率循环16000次后

(c)功率循环18 000次后 (d)失效后

(a)功率循环前 (b)功率循环后

比对图5a～图5d,经过功率循环多次冲击之后发现模块表面变色,芯片表面由银白色逐渐变成灰白色,DBC铜层由规则的暗红色变成了出现一些褐红色区域。

从图6、图7比对可以看出,芯片中心区域、边缘绝缘保护环原胞结构均由规则点阵变化为点阵中出现了小的黑圈、空穴、裂纹或裂缝,变得不再规则。这将导致原胞之间接触压力减小,引起原胞之间电阻率和导热系数增大,模块总电阻和结壳热阻相应增加。当疲劳循环数继续增加,将引起模块整体散热能力的进一步下降,在芯片积累更多的热量,使芯片内部结温和表面温度进一步上升,不断地热冲击最终会引发热击穿,从而引发模块失效。

5.2 键合引线形变观测

表1中第1组引线的具体形变过程如图8所示。功率循环前键合引线如图8a所示,经过约16000次冲击之后1根键合引线发生轻微形变(见图8b),功率循环继续,电流分配不均,热应力超出剩下引线承受的极限,导致已经发生形变的引线形变量增大和形变的键合引线根数增多,如图8c、9d、9e所示,对应的循环次数分别约为17 000、17 800、18 300次。

(a)所有键合引线完好(b)1根键合引线发生形变

(c)2根键合引线发生形变(d)3根键合引线发生形变

(e)多根键合引线发生(f)多根键合引线翘曲严重形变剥离焊点

当键合处的剥离效应加剧,经过约18 970次循环后1根键合引线剥离键合点,直至经过约19 500次循环出现如图8f所示的多根键合引线剥离键合点。

5.3 键合引线熔断过程观测

采用一台型号为Xenics的高速红外热像仪对IGBT芯片表面瞬态温度进行监测和记录。实验发现,IGBT出现失效的部位都是键合引线,且表现形式为熔断。在熔断瞬间,红外热像仪连续拍摄到的IGBT图像及对应的温度分布如文献[6]中图9、图10所示。由文献[6]中图10可知,键合引线温度比芯片表面温度最高时高出约200℃。

5.4 焊料层观测

利用超声波扫描显微镜PVA SAM 300扫描失效之后的IGBT模块内部分层、空洞、裂纹等缺陷,测试标准采用美国封装电子器件的声显微镜检测标准IPC/JEDEC J-STD-035。表1中第1、2组模块失效后检测结果分别如图9、图10所示。

(a)基板与DBC下铜层间焊料层

(b)DBC陶瓷层与DBC下铜层间界面

(c)DBC陶瓷层与DBC上铜层间界面

(d)芯片和DBC上铜层间焊料层

图9a中白点为焊料层上的分层缺陷,图9b中白点为该层的分层缺陷,模块右侧底部的白色区域为不平整造成。图9c中黑影为上层缺陷的投影,白点为该层的分层缺陷。图9d芯片中间黑点为该层的分层缺陷。

由图9可知,IGBT模块各层接触面间的缺陷由芯片向下呈递减趋势,上铜层与芯片之间焊料层中的分层缺陷最多。下铜层与基板之间焊料层中的分层缺陷最少,且其分层缺陷基本分布在边缘区域,这是由于边缘区域是热应力集中的区域导致的。其他各层的分层缺陷分布具有一定的分散性。对比图9和图10可以发现,随着循环次数的增多,各层的分层缺陷增加得并不多。这表明在实验所设定的工作条件下,当键合引线翘曲引发失效时,焊料层发生的变化不大,还未达到由于焊料层疲劳引发失效的程度。

(a)基板与DBC下铜层间焊料层

(b)DBC陶瓷层与DBC下铜层间界面

(c) DBC陶瓷层与DBC上铜层间界面

(d) 芯片和DBC上铜层间焊料层

对测试模块进行不平整度扫描如图11所示。评估标准采用美国固态表面封装器件的受潮-吸潮状况的分类标准IPC/JEDEC J-STD-020C。

(a)样品中间垂直方向

(b)整个样品基板表面

由图11所示,IGBT模块各物理层不平整度由基板向上呈递减趋势,即基板不平整度最大,且集中在正对工作芯片区域的边缘位置。这主要是由于基板是一块完整铜板,而DBC以及芯片均是切割后的小块,受热冲击面积小。

5.5 电气、传热特性参数测量

以表1中第1组加速寿命循环实验为例,对IGBT模块的结温、壳温、VCE以及热阻参数的变化进行了实时监控,变化如表3所示。

表3 实验中各参数的变化情况

从表3数据可以看出,随着循环次数的增加,IGBT压降值逐渐增大,临近失效前比初始状态增大了约10.7%。由于压降增大,产生的功耗增加,结温和壳温都略有升高,但是计算得到的热阻几乎没有变化,与一般温度下由热阻增大引起温度和压降升高,从而引发失效的现象不同。这是由于在高温循环冲击下,IGBT首先是芯片表面金属层与键合引线的材料特性发生变化,引起压降增大,而焊料层还没有开裂或空洞出现,只是出现微小的缺陷,因此热阻基本没有变化。此时温度的升高是由于压降增大引起功耗的增大,而不是热阻增加引起散热性能下降,在失效机理上是完全不同的。

由表3还可以看出,测试开始时压降基本不变,当接近失效时,压降急剧增大,即d(ΔVCE)/dt很大,存在变化的转折点。因此,可将压降的突变位置作为可靠性评估的标准,约为2.52 V,即压降增大约3%。

6 结 论

(1)高温功率循环实验结果表明:高结温、大温度梯度极端工作方式下,IGBT封装失效类型主要是键合引线翘曲与熔化,由于键合点两端材料热膨胀系数失配,在温度波动过程中产生剪切应力,导致键合引线剥离芯片金属层,引起电流分配不均,进而可能会出现所有键合引线均上翘。

(2)键合引线失效改变了芯片表面结构,导致芯片金属镀层钝化或重构,因此不可避免地对一些关键电气参数产生很大影响,如VCE在此种失效类型下变化很大。在失效标准里将其变化5%作为判断标准[14],文献[15]定义的失效标准为:VCE有10%的变化,芯片下焊料层有50%的面积出现分层,衬底焊料层处有20%的面积出现分层,铝丝键合引线剪切应力下降90%。实际上后3个量很难测量,在实际实验过程中发现,VCE失效前会增大7%～10%,且失效前d(ΔVCE)/dt很大,而热阻基本不变,可将压降的突变位置作为IGBT可靠性评估的标准。

(3)采用高景深三维显微镜、高速红外热像仪和超声波扫描显微镜,对实验过程中以及模块失效后的表面显微结构,键合引线形变翘曲和熔断过程以及各层分层、空洞和缺陷进行观测。对应的失效特征分布规律表明:经过功率循环后的芯片表面中心区域、边缘绝缘保护环原胞结构均由规则点阵变化为点阵中出现了小的黑圈、空穴、裂纹或裂缝,变得不再规则;各物理层接触面间的缺陷由芯片向下呈递减的趋势;IGBT模块各物理层不平整度由基板向上呈递减的趋势。

(4)通过分析得到IGBT模块的寿命值近似服从Weibull分布。

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(编辑 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。

陈明(1982—),男,博士,工程师。

国家自然科学基金重点资助项目(50737004)。

时间:2013-12-25

10.7652/xjtuxb201404021

TN32

:A

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

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