IGBT模塊鍵合線失效研究

周文棟，王學(xué)梅，張　波，賴　偉

（1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州510640；2.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶400044）

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．1．1中圖分類號：TM 464文獻標志碼：A

IGBT模塊鍵合線失效研究

周文棟1，王學(xué)梅1，張波1，賴偉2

（1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州510640；2.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶400044）

新能源技術(shù)的發(fā)展對功率變流裝置的性能提出了更高的要求，IGBT模塊作為變流器的核心器件，其可靠性受到了越來越廣泛的重視?，F(xiàn)有研究表明，惡劣的工作環(huán)境加速了器件的老化和失效，因此，深入研究IGBT模塊的老化和失效機理是功率器件應(yīng)用中需亟待解決的問題。以IGBT模塊的鍵合線為研究對象，在建立IGBT模塊電-熱-力多場耦合模型的基礎(chǔ)上，對正常工作和部分鍵合線脫落時的溫度和剪切應(yīng)力進行了綜合分析，指出剪切力是鍵合線疲勞和失效的直接原因。最后，對比傳統(tǒng)鋁鍵合線模型，采用銅作為鍵合線材料，可以進一步提高模塊的可靠性。本研究為進一步分析鍵合線疲勞，研究IGBT模塊的失效形式和壽命提供了參考。

IGBT模塊；鍵合線；失效機理；多物理場仿真

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

引言

近年來，隨著新能源發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、電動汽車等新興產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，IGBT功率模塊也得到了前所未有的廣泛應(yīng)用。IGBT模塊是電力電子變流器的關(guān)鍵器件，一般由多個IGBT芯片集成［1］。有文獻統(tǒng)計，約38%的交流調(diào)速系統(tǒng)故障源于功率器件的失效，而影響變流器功率器件失效的主要原因有溫度、振動、濕度和灰塵［2］。如在風(fēng)力發(fā)電中，由于所處的地理位置造成風(fēng)電機組運行環(huán)境較為惡劣，且維護困難，國內(nèi)外風(fēng)電場統(tǒng)計表明，由電氣系統(tǒng)引起的故障占整個風(fēng)電場故障的比例最高［3］。又如，電動汽車變流器除了功率密度高和運行工況復(fù)雜外，還存在環(huán)境溫度高、熱抖動頻繁、機械振動劇烈等不利因素［4］，因此，電動汽車變流器對可靠性的要求應(yīng)更為嚴格。此外，在軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域，IGBT模塊的可靠性也得到了越來越廣泛的關(guān)注［5-6］。

目前，分析IGBT模塊失效主要有解析模型和物理模型。鍵合線在IGBT模塊中實現(xiàn)內(nèi)部芯片與外部電路的電氣連接，是IGBT模塊中最為脆弱的部分［7-8］。獲得普遍認可的鍵合線失效機理是：IGBT在開通和關(guān)斷的過程中產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致溫度上升，由于各層材料熱膨脹系數(shù)的不匹配從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，最終造成鍵合線脫落［9］。文獻［10］針對IGBT模塊鍵合線脫落，研究了模塊故障下的穩(wěn)態(tài)熱阻抗和溫度變化，但沒有結(jié)合溫度進行熱應(yīng)力的分析。文獻［11］建立了IGBT模塊三維熱電耦合有限元模型，分析了鍵合線部分脫落時芯片溫度的變化，但是沒有進一步對比此時的熱應(yīng)力情況。IGBT鍵合線的老化和失效是電-熱-力多物理場耦合作用的結(jié)果，因此，對IGBT模塊鍵合線的失效研究，仍需要準確建立其電-熱-力耦合的物理模型，對芯片和鍵合線的溫度、受力進行綜合分析，才能獲得鍵合線失效準確可靠的研究結(jié)果。

本文建立精確的電-熱-力多物理場耦合模型，通過分析剪切應(yīng)力詳細研究了鍵合線的失效機理，并對鍵合線部分脫落時溫度和熱應(yīng)力的變化進行分析，為進一步研究鍵合線失效形式并分析鍵合線疲勞和模塊壽命提供參考。

1　IGBT模塊結(jié)構(gòu)和鍵合線失效形式

常規(guī)的IGBT模塊如圖1所示，主要由IGBT芯片和快速恢復(fù)二極管芯片集成［12］。芯片層焊接在DBC（direct bonded copper）襯板上，DBC襯板焊接在下面的銅基板上，其中，DBC襯板由2個銅層和之間的陶瓷層構(gòu)成絕緣作用，IGBT模塊中一般采用超聲鍵合技術(shù)，將鋁鍵合線鍵合在芯片焊盤和基板引腳上［13-14］。在采用鋁線鍵合工藝封裝的IGBT模塊中，由鍵合線故障引起的模塊失效約占整個模塊失效總數(shù)的70%左右，其中大部分失效為鍵合線脫落［15］。這是由于IGBT模塊中鋁線和芯片鍵合處熱膨脹系數(shù)不匹配，在溫度循環(huán)的條件下會產(chǎn)生熱應(yīng)力，進而造成鍵合線失效［16］。IGBT模塊中鍵合線所受到的熱應(yīng)力比較復(fù)雜，根據(jù)材料力學(xué)的理論結(jié)合鍵合線脫落失效方式，可以將熱應(yīng)力分解為垂直于剪切面Y方向的法向應(yīng)力P（x）和相切于鍵合面的剪切應(yīng)力T（x），如圖2所示，其中，h1、h2分別為上、下層材料厚度。由于受到剪切應(yīng)力T（x）的作用，鍵合線與芯片鍵合處的會發(fā)生相對錯動，產(chǎn)生剪切形變，從而導(dǎo)致鍵合線與芯片的分離與脫落。

圖1　IGBT模塊內(nèi)部及結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of IGBT module

圖2　法向應(yīng)力與剪切應(yīng)力Fig.2 Normal stress and shearing stress

2　IGBT模塊電-熱-力耦合模型及鍵合線應(yīng)力分析

為了分析IGBT模塊的多場耦合關(guān)系，需要建立IGBT芯片的電-熱-力耦合模型。其中芯片電場表達式［17-19］為

式中：J為電流密度；D為電荷流密度。熱場表達式［17-19］為

式中：ρ為密度；C為比熱容；T為絕對溫度；q為單位體積的發(fā)熱率；q為熱流向量。

應(yīng)力場的表達式［17-19］為

式中：G=e，e為楊氏模量；μ為泊松比；τxy，2（1+μ）τyz，τzx為剪切應(yīng)力；γxy，γyz，γzx為剪切應(yīng)變。

當功率模塊通過電流時，會產(chǎn)生損耗并產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量的傳遞與流動會影響模塊內(nèi)部的溫度分布。當模塊溫度變化后，又會使電導(dǎo)率發(fā)生變化，從而影響功率器件的損耗，二者的電-熱耦合關(guān)系可表示［20-21］為

式中：E為電場強度；［Π］、［λ］、［σ］、［α］、［ε］分別是帕爾帖系數(shù)矩陣、熱導(dǎo)率矩陣、電導(dǎo)率矩陣、賽貝克系數(shù)矩陣和介電常數(shù)矩陣；▽T為溫度梯度。

模塊中熱量的傳遞和流動會影響模塊內(nèi)部的溫度分布，并形成熱應(yīng)力，其熱-力耦合關(guān)系可表示［20-21］為

式中：εx、εy、εz為熱應(yīng)變；u、v、w為位移分量；σx、σy、σz為熱應(yīng)力；α為熱膨脹系數(shù)；ΔT為兩時刻的溫度差。

IGBT模塊內(nèi)部的電場、熱場和應(yīng)力場3個物理場是相互耦合、相互作用的，如圖3所示。模塊中通過的電流會造成溫度的升高，溫度的升高會產(chǎn)生熱應(yīng)力，同時，溫度的變化也會影響材料電導(dǎo)率的大小，熱應(yīng)力造成的模塊損傷會使溫度進一步升高。另外，模塊的結(jié)構(gòu)失效也會造成電氣部分電流的發(fā)生變化。采用有限元軟件建立物理模型可以真實的反應(yīng)模塊的物理結(jié)構(gòu)、材料特性，還能直觀地分析模塊的溫度、受力和形變。

圖3　電-熱-力耦合Fig.3 Electro-thermo-mechanical coupling

由于芯片材料和形狀的復(fù)雜性，需采用多物理場耦合的有限元方法進行仿真計算。本文在文獻［22］芯片尺寸參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用COMSOL有限元分析軟件，建立IGBT模塊的三維模型，其中設(shè)定邊界條件如下：

（1）IGBT中芯片是完全相同的，具有對稱性，其溫度和應(yīng)力條件也應(yīng)相同，選取其中一個IGBT芯片用于電-熱-力耦合分析。

（2）IGBT鍵合線數(shù)量較多，將其減少為3根鍵合線，簡化計算。通過電流有效值設(shè)定為I=5.69 A。

（3）環(huán)境溫度設(shè)定為293.15 K，銅基板下表面溫度恒定設(shè)為293.15 K。

（4）IGBT模塊銅基板下表面固定。

仿真結(jié)果如圖4所示。從圖4（a）中可以看出，模塊中的最高溫度為419.2 K，主要分布在鍵合線底腳。由于鍵合線與IGBT芯片鍵合處溫度較高，此處受到較大的熱應(yīng)力，容易造成熱失效。從圖4（b）中可以看出IGBT模塊內(nèi)部的等溫線分布和熱量流向，熱量主要是沿著IGBT芯片向下流通的，溫度從上到下逐漸降低。圖4（c）反映了IGBT模塊中剪切應(yīng)力的情況，IGBT模塊中鍵合線處剪切應(yīng)力較大。

從圖4（d）中可以看出，鍵合線底腳所受的剪切應(yīng)力在兩個邊角最大，方向相反。綜合分析，鍵合線與IGBT芯片鍵合處剪切應(yīng)力較大，最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在鍵合面邊角，與文獻［23］的實驗結(jié)果相一致。在循環(huán)剪切應(yīng)力的作用下，鍵合面邊角出現(xiàn)松動，并且隨之由外向內(nèi)，由邊緣向中心擴散。最終造成鍵合處逐漸松動，導(dǎo)致鍵合線脫落。

圖4　IGBT模塊電熱力耦合模型Fig.4 Electro-thermo-mechanical coupling model of IGBT module

3　部分鍵合線脫落后的應(yīng)力分析

圖5　溫度對比結(jié)果Fig.5 Temperature contrast results

IGBT模塊工作時產(chǎn)生大量熱，使鍵合線與IGBT芯片鍵合處產(chǎn)生循環(huán)剪切應(yīng)力，最終導(dǎo)致某一鍵合線脫落。此時，模塊中的電流會瞬間加到剩余鍵合線上，使剩余鍵合線通過的電流超過額定值，加速其余鍵合線的老化，最終導(dǎo)致整個IGBT模塊的失效。為量化分析部分鍵合線脫落后芯片的應(yīng)力分布情況，分別建立了正常工作和鍵合線脫落時的IGBT模塊電-熱-力模型，對比結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

從圖5中可以看出，IGBT模塊正常工作時，最高溫度為296.7 K。當部分鍵合線脫落出現(xiàn)故障時，模塊最高溫度升高到301.2 K。通過對比可以得出，鍵合線部分脫落時，IGBT模塊溫度升高了4.5 K。溫度越高，IGBT模塊所受到的熱應(yīng)力越大，因此容易造成其余鍵合線的脫落，從而進一步導(dǎo)致整個IGBT模塊的失效。

圖6　剪切應(yīng)力對比結(jié)果Fig.6 Shearing stress contrast results

從圖6中可以看出，當部分鍵合線失效后，由于溫度的升高，鍵合線和IGBT芯片鍵合處的最大剪切應(yīng)力增大到原來的2.2倍。在更大的熱應(yīng)力作用下，更容易加速其余鍵合線老化，從而加速整個IGBT模塊的失效。綜合分析可知，在相同電流載荷的情況下，當部分鍵合線出現(xiàn)故障時，會使通過其余鍵合線的電流增大，導(dǎo)致芯片表面的溫度增加，從而造成其余鍵合線跟IGBT芯片鍵合處的剪切應(yīng)力增大。在長期的溫度循環(huán)下，部分鍵合線脫落會加速其余鍵合線的脫落和整個IGBT模塊的失效。

4　不同鍵合線材料的影響分析

隨著電子封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，封裝的模塊越來越小，布線間距越來越窄，封裝厚度越來越薄，封裝體所承受的熱量密度也越來越高。這使得高電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和低介電常數(shù)的材料越來越受到重視。從成本和工藝的因素綜合考慮，鋁線目前占據(jù)了較大的份額。銅線電導(dǎo)率遠高于鋁線，熱導(dǎo)率也遠高于傳統(tǒng)的鋁線。另一方面，銅線熱膨脹系數(shù)比鋁線更能與芯片材料匹配。這就使得銅鍵合線在將來擁有著更為廣闊的應(yīng)用前景。銅鋁材料對比如圖7所示。

圖7　銅和鋁材料對比Fig.7 Comparison of copper and aluminum materials

為分析銅鍵合線對IGBT模塊的影響，建立銅鍵合線的IGBT模塊電-熱-力模型，仿真結(jié)果如圖8所示。

從圖8中可以看出，采用銅鍵合線IGBT模塊正常工作時，最高溫度為417.8 K。通過對比可以得出，鍵合線部分脫落時，IGBT模塊溫度降低了1.4 K。采用銅鍵合線所降低的溫度，對IGBT模塊可靠性會有很大的提高。另外，由于銅比鋁更能與硅的熱膨脹系數(shù)相匹配，采用銅鍵合線時最大剪切應(yīng)力降低至鋁線模型的57.5%。剪切應(yīng)力的大幅度降低，對于IGBT模塊中鍵合線的可靠性有著更為直接的提高。綜合分析可知，采用銅作為鍵合線材料可以在一定程度上降低IGBT模塊的溫度，并能極大的減小鍵合處的剪切應(yīng)力，提高模塊的可靠性。

銅鍵合線在實際應(yīng)用中，由于銅容易被氧化，在引線鍵合工藝中不宜控制鍵合力，增加了焊接的難度。另一方面，銅硬度較大，鍵合時需要增加鍵合力度和超聲能量，容易造成焊盤下的硅襯底受損。此外，由于銅線硬度的原因，可能會將焊接基板上的金屬層擠出［24-25］。因此，銅線鍵合技術(shù)仍需要得到進一步提高。

圖8　IGBT模塊電熱力耦合模型（銅鍵合線）Fig.8 Electro-thermo-mechanical coupling model of IGBT module（copper bonding wire）

5　結(jié)語

本文在建立了IGBT模塊的電-熱-力多物理場耦合模型的基礎(chǔ)上，研究了IGBT模塊鍵合線的失效機理，全面分析了正常工作、部分鍵合線脫落和不同鍵合線材料下，鍵合線的溫度和剪切應(yīng)力分布。結(jié)論如下。

（1）IGBT芯片中，鍵合線處所受的剪切應(yīng)力最大，容易造成鍵合線脫落。

（2）當部分鍵合線脫落后，會造成IGBT模塊溫度升高，鍵合線鍵合處剪切應(yīng)力進一步增大，最終加速整個IGBT模塊失效。

（3）對于鋁鍵合線，銅作為鍵合線材料可以在一定程度上降低IGBT模塊的溫度，并能極大地減小鍵合線的剪切應(yīng)力，提高模塊的可靠性。

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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

周文棟

2015-07-01

國家自然科學(xué)基金項目（51577074；51107044）

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

王學(xué)梅（1972-），女，博士，教授，研究方向：電力電子變換器的可靠性，E-mail∶ep xmwang@scut.edu.cn。

張波（1962-），男，博士，教授，研究方向：電力電子系統(tǒng)分析與控制，E-mail∶epb zhang@scut.edu.cn。

賴偉（1986-），男，博士生，研究方向：電力電子功率器件疲勞失效機理及可靠性研究，E-mail∶366044535@qq.com。