IGBT模块键合线失效研究

周文栋，王学梅，张　波，赖　伟

（1.华南理工大学电力学院，广州510640；2.重庆大学电气工程学院，重庆400044）

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．1．1中图分类号：TM 464文献标志码：A

IGBT模块键合线失效研究

周文栋1，王学梅1，张波1，赖伟2

（1.华南理工大学电力学院，广州510640；2.重庆大学电气工程学院，重庆400044）

新能源技术的发展对功率变流装置的性能提出了更高的要求，IGBT模块作为变流器的核心器件，其可靠性受到了越来越广泛的重视。现有研究表明，恶劣的工作环境加速了器件的老化和失效，因此，深入研究IGBT模块的老化和失效机理是功率器件应用中需亟待解决的问题。以IGBT模块的键合线为研究对象，在建立IGBT模块电-热-力多场耦合模型的基础上，对正常工作和部分键合线脱落时的温度和剪切应力进行了综合分析，指出剪切力是键合线疲劳和失效的直接原因。最后，对比传统铝键合线模型，采用铜作为键合线材料，可以进一步提高模块的可靠性。本研究为进一步分析键合线疲劳，研究IGBT模块的失效形式和寿命提供了参考。

IGBT模块；键合线；失效机理；多物理场仿真

Project Supported by the Key Project of National Natural Science Foundation of China（51577074；51107044）

引言

近年来，随着新能源发电、轨道交通、智能电网、电动汽车等新兴产业的蓬勃发展，IGBT功率模块也得到了前所未有的广泛应用。IGBT模块是电力电子变流器的关键器件，一般由多个IGBT芯片集成［1］。有文献统计，约38%的交流调速系统故障源于功率器件的失效，而影响变流器功率器件失效的主要原因有温度、振动、湿度和灰尘［2］。如在风力发电中，由于所处的地理位置造成风电机组运行环境较为恶劣，且维护困难，国内外风电场统计表明，由电气系统引起的故障占整个风电场故障的比例最高［3］。又如，电动汽车变流器除了功率密度高和运行工况复杂外，还存在环境温度高、热抖动频繁、机械振动剧烈等不利因素［4］，因此，电动汽车变流器对可靠性的要求应更为严格。此外，在轨道交通、智能电网等领域，IGBT模块的可靠性也得到了越来越广泛的关注［5-6］。

目前，分析IGBT模块失效主要有解析模型和物理模型。键合线在IGBT模块中实现内部芯片与外部电路的电气连接，是IGBT模块中最为脆弱的部分［7-8］。获得普遍认可的键合线失效机理是：IGBT在开通和关断的过程中产生热量，导致温度上升，由于各层材料热膨胀系数的不匹配从而产生热应力，最终造成键合线脱落［9］。文献［10］针对IGBT模块键合线脱落，研究了模块故障下的稳态热阻抗和温度变化，但没有结合温度进行热应力的分析。文献［11］建立了IGBT模块三维热电耦合有限元模型，分析了键合线部分脱落时芯片温度的变化，但是没有进一步对比此时的热应力情况。IGBT键合线的老化和失效是电-热-力多物理场耦合作用的结果，因此，对IGBT模块键合线的失效研究，仍需要准确建立其电-热-力耦合的物理模型，对芯片和键合线的温度、受力进行综合分析，才能获得键合线失效准确可靠的研究结果。

本文建立精确的电-热-力多物理场耦合模型，通过分析剪切应力详细研究了键合线的失效机理，并对键合线部分脱落时温度和热应力的变化进行分析，为进一步研究键合线失效形式并分析键合线疲劳和模块寿命提供参考。

1　IGBT模块结构和键合线失效形式

常规的IGBT模块如图1所示，主要由IGBT芯片和快速恢复二极管芯片集成［12］。芯片层焊接在DBC（direct bonded copper）衬板上，DBC衬板焊接在下面的铜基板上，其中，DBC衬板由2个铜层和之间的陶瓷层构成绝缘作用，IGBT模块中一般采用超声键合技术，将铝键合线键合在芯片焊盘和基板引脚上［13-14］。在采用铝线键合工艺封装的IGBT模块中，由键合线故障引起的模块失效约占整个模块失效总数的70%左右，其中大部分失效为键合线脱落［15］。这是由于IGBT模块中铝线和芯片键合处热膨胀系数不匹配，在温度循环的条件下会产生热应力，进而造成键合线失效［16］。IGBT模块中键合线所受到的热应力比较复杂，根据材料力学的理论结合键合线脱落失效方式，可以将热应力分解为垂直于剪切面Y方向的法向应力P（x）和相切于键合面的剪切应力T（x），如图2所示，其中，h1、h2分别为上、下层材料厚度。由于受到剪切应力T（x）的作用，键合线与芯片键合处的会发生相对错动，产生剪切形变，从而导致键合线与芯片的分离与脱落。

图1　IGBT模块内部及结构Fig.1 Structure of IGBT module

图2　法向应力与剪切应力Fig.2 Normal stress and shearing stress

2　IGBT模块电-热-力耦合模型及键合线应力分析

为了分析IGBT模块的多场耦合关系，需要建立IGBT芯片的电-热-力耦合模型。其中芯片电场表达式［17-19］为

式中：J为电流密度；D为电荷流密度。热场表达式［17-19］为

式中：ρ为密度；C为比热容；T为绝对温度；q为单位体积的发热率；q为热流向量。

应力场的表达式［17-19］为

式中：G=e，e为杨氏模量；μ为泊松比；τxy，2（1+μ）τyz，τzx为剪切应力；γxy，γyz，γzx为剪切应变。

当功率模块通过电流时，会产生损耗并产生大量的热量，这些热量的传递与流动会影响模块内部的温度分布。当模块温度变化后，又会使电导率发生变化，从而影响功率器件的损耗，二者的电-热耦合关系可表示［20-21］为

式中：E为电场强度；［Π］、［λ］、［σ］、［α］、［ε］分别是帕尔帖系数矩阵、热导率矩阵、电导率矩阵、赛贝克系数矩阵和介电常数矩阵；▽T为温度梯度。

模块中热量的传递和流动会影响模块内部的温度分布，并形成热应力，其热-力耦合关系可表示［20-21］为

式中：εx、εy、εz为热应变；u、v、w为位移分量；σx、σy、σz为热应力；α为热膨胀系数；ΔT为两时刻的温度差。

IGBT模块内部的电场、热场和应力场3个物理场是相互耦合、相互作用的，如图3所示。模块中通过的电流会造成温度的升高，温度的升高会产生热应力，同时，温度的变化也会影响材料电导率的大小，热应力造成的模块损伤会使温度进一步升高。另外，模块的结构失效也会造成电气部分电流的发生变化。采用有限元软件建立物理模型可以真实的反应模块的物理结构、材料特性，还能直观地分析模块的温度、受力和形变。

图3　电-热-力耦合Fig.3 Electro-thermo-mechanical coupling

由于芯片材料和形状的复杂性，需采用多物理场耦合的有限元方法进行仿真计算。本文在文献［22］芯片尺寸参数的基础上，采用COMSOL有限元分析软件，建立IGBT模块的三维模型，其中设定边界条件如下：

（1）IGBT中芯片是完全相同的，具有对称性，其温度和应力条件也应相同，选取其中一个IGBT芯片用于电-热-力耦合分析。

（2）IGBT键合线数量较多，将其减少为3根键合线，简化计算。通过电流有效值设定为I=5.69 A。

（3）环境温度设定为293.15 K，铜基板下表面温度恒定设为293.15 K。

（4）IGBT模块铜基板下表面固定。

仿真结果如图4所示。从图4（a）中可以看出，模块中的最高温度为419.2 K，主要分布在键合线底脚。由于键合线与IGBT芯片键合处温度较高，此处受到较大的热应力，容易造成热失效。从图4（b）中可以看出IGBT模块内部的等温线分布和热量流向，热量主要是沿着IGBT芯片向下流通的，温度从上到下逐渐降低。图4（c）反映了IGBT模块中剪切应力的情况，IGBT模块中键合线处剪切应力较大。

从图4（d）中可以看出，键合线底脚所受的剪切应力在两个边角最大，方向相反。综合分析，键合线与IGBT芯片键合处剪切应力较大，最大剪切应力出现在键合面边角，与文献［23］的实验结果相一致。在循环剪切应力的作用下，键合面边角出现松动，并且随之由外向内，由边缘向中心扩散。最终造成键合处逐渐松动，导致键合线脱落。

图4　IGBT模块电热力耦合模型Fig.4 Electro-thermo-mechanical coupling model of IGBT module

3　部分键合线脱落后的应力分析

图5　温度对比结果Fig.5 Temperature contrast results

IGBT模块工作时产生大量热，使键合线与IGBT芯片键合处产生循环剪切应力，最终导致某一键合线脱落。此时，模块中的电流会瞬间加到剩余键合线上，使剩余键合线通过的电流超过额定值，加速其余键合线的老化，最终导致整个IGBT模块的失效。为量化分析部分键合线脱落后芯片的应力分布情况，分别建立了正常工作和键合线脱落时的IGBT模块电-热-力模型，对比结果分别如图5和图6所示。

从图5中可以看出，IGBT模块正常工作时，最高温度为296.7 K。当部分键合线脱落出现故障时，模块最高温度升高到301.2 K。通过对比可以得出，键合线部分脱落时，IGBT模块温度升高了4.5 K。温度越高，IGBT模块所受到的热应力越大，因此容易造成其余键合线的脱落，从而进一步导致整个IGBT模块的失效。

图6　剪切应力对比结果Fig.6 Shearing stress contrast results

从图6中可以看出，当部分键合线失效后，由于温度的升高，键合线和IGBT芯片键合处的最大剪切应力增大到原来的2.2倍。在更大的热应力作用下，更容易加速其余键合线老化，从而加速整个IGBT模块的失效。综合分析可知，在相同电流载荷的情况下，当部分键合线出现故障时，会使通过其余键合线的电流增大，导致芯片表面的温度增加，从而造成其余键合线跟IGBT芯片键合处的剪切应力增大。在长期的温度循环下，部分键合线脱落会加速其余键合线的脱落和整个IGBT模块的失效。

4　不同键合线材料的影响分析

随着电子封装技术的不断发展，封装的模块越来越小，布线间距越来越窄，封装厚度越来越薄，封装体所承受的热量密度也越来越高。这使得高电导率、热导率和低介电常数的材料越来越受到重视。从成本和工艺的因素综合考虑，铝线目前占据了较大的份额。铜线电导率远高于铝线，热导率也远高于传统的铝线。另一方面，铜线热膨胀系数比铝线更能与芯片材料匹配。这就使得铜键合线在将来拥有着更为广阔的应用前景。铜铝材料对比如图7所示。

图7　铜和铝材料对比Fig.7 Comparison of copper and aluminum materials

为分析铜键合线对IGBT模块的影响，建立铜键合线的IGBT模块电-热-力模型，仿真结果如图8所示。

从图8中可以看出，采用铜键合线IGBT模块正常工作时，最高温度为417.8 K。通过对比可以得出，键合线部分脱落时，IGBT模块温度降低了1.4 K。采用铜键合线所降低的温度，对IGBT模块可靠性会有很大的提高。另外，由于铜比铝更能与硅的热膨胀系数相匹配，采用铜键合线时最大剪切应力降低至铝线模型的57.5%。剪切应力的大幅度降低，对于IGBT模块中键合线的可靠性有着更为直接的提高。综合分析可知，采用铜作为键合线材料可以在一定程度上降低IGBT模块的温度，并能极大的减小键合处的剪切应力，提高模块的可靠性。

铜键合线在实际应用中，由于铜容易被氧化，在引线键合工艺中不宜控制键合力，增加了焊接的难度。另一方面，铜硬度较大，键合时需要增加键合力度和超声能量，容易造成焊盘下的硅衬底受损。此外，由于铜线硬度的原因，可能会将焊接基板上的金属层挤出［24-25］。因此，铜线键合技术仍需要得到进一步提高。

图8　IGBT模块电热力耦合模型（铜键合线）Fig.8 Electro-thermo-mechanical coupling model of IGBT module（copper bonding wire）

5　结语

本文在建立了IGBT模块的电-热-力多物理场耦合模型的基础上，研究了IGBT模块键合线的失效机理，全面分析了正常工作、部分键合线脱落和不同键合线材料下，键合线的温度和剪切应力分布。结论如下。

（1）IGBT芯片中，键合线处所受的剪切应力最大，容易造成键合线脱落。

（2）当部分键合线脱落后，会造成IGBT模块温度升高，键合线键合处剪切应力进一步增大，最终加速整个IGBT模块失效。

（3）对于铝键合线，铜作为键合线材料可以在一定程度上降低IGBT模块的温度，并能极大地减小键合线的剪切应力，提高模块的可靠性。

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Research on Failures of Bonding Wire in IGBTs Module

ZHOU Wendong1，WANG Xuemei1，ZHANG Bo1，LAI Wei2
（1.School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.College of Electrical Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

With the development of renewable energy technology，the requirements of reliabilities of power converters become higher. As the core devices of power converters，the reliability of IGBT module has been paid more and more attention. The existing researches show that the bad working environment accelerates the aging and failure of the device，so the research on the aging and failure mechanism of IGBTs module becomes more and more urgent. In this paper，IGBT module is the research object. Based on electro-thermo-mechanical coupling physical model of IGBTs module，a comprehensive analysis of the temperature and stress of the bonding wires is carried out on normal condition and partial bonding wires failure. It is pointed out that the shear stress is the direct cause of the fatigue and failure of the bonding wires. Finally，comparing with the traditional aluminum bonding wire model，the reliability of IGBTs module can be improved by using copper as the bonding wires material. The research of this paper provides a reference for the further analysis of bonding wires fatigue and study on the failure mode and the life of the IGBT module.

IGBTs module；bonding wires；failure mechanism；multi-physics simulation

周文栋

2015-07-01

国家自然科学基金项目（51577074；51107044）

周文栋（1991-），男，通信作者，硕士，研究方向：功率器件的可靠性，E-mail∶zho uwd1991@126.com。

王学梅（1972-），女，博士，教授，研究方向：电力电子变换器的可靠性，E-mail∶ep xmwang@scut.edu.cn。

张波（1962-），男，博士，教授，研究方向：电力电子系统分析与控制，E-mail∶epb zhang@scut.edu.cn。

赖伟（1986-），男，博士生，研究方向：电力电子功率器件疲劳失效机理及可靠性研究，E-mail∶366044535@qq.com。