IGBT 模塊焊層的被動(dòng)熱循環(huán)可靠性分析

曾杰，檀浩浩，楊方，周望君，李亮星，常桂欽，羅海輝

(1.株洲中車時(shí)代半導(dǎo)體有限公司,株洲,412001；2.新型功率半導(dǎo)體器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,株洲,412001)

0 序言

絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)作為能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心被廣泛應(yīng)用于新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)、光伏和風(fēng)電行業(yè)等[1-2].隨著轉(zhuǎn)換器集成度的提高，IGBT 的故障風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的安全.研究表明高于30%的故障是由功率半導(dǎo)體器件所引起的，因此IGBT 的可靠性對(duì)確保系統(tǒng)可靠地運(yùn)行是非常重要[3-4].

當(dāng)電力電子設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，IGBT 反復(fù)地開(kāi)關(guān)與環(huán)境溫度的變化導(dǎo)致了IGBT 內(nèi)部的溫度變化，由于封裝材料間熱膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion，CTE)的差異，這種溫度變化導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，由于焊層與其被連接材料間的CTE 不匹配性較大，因此，焊層是IGBT 模塊最常見(jiàn)的薄弱點(diǎn)[5-7].目前主要是通過(guò)結(jié)合加速老化試驗(yàn)與數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法來(lái)預(yù)測(cè)不同條件下IGBT 的可靠性，如Manson-Coffin，Lesit，Norris-Landzberg 和CPIS 2008 模型等[8-16].然而，在這些經(jīng)典模型中并沒(méi)有考慮其內(nèi)在的失效機(jī)理，并且不同失效模式的失效機(jī)理存在諸多差異，如由于材料結(jié)構(gòu)或材料熱匹配或材料微觀缺陷等所引起的失效或退化，若能明確失效機(jī)理，則能有效改善模塊的可靠性設(shè)計(jì)，從源頭上提升模塊的可靠性，因此，研究失效模式相應(yīng)的失效機(jī)理意義重大.焊層的疲勞是影響IGBT 可靠性的關(guān)鍵因素之一，如會(huì)引起熱、力學(xué)等性能的退化.在周期性熱應(yīng)力下焊層連續(xù)的粘塑性變形導(dǎo)致了焊層的疲勞，然而，很少有相關(guān)失效機(jī)理的工作被報(bào)道，特別是在實(shí)際周期性熱應(yīng)力下IGBT 相關(guān)焊層的失效機(jī)理、微缺陷的演變迄今尚未明確闡明，并且很少研究它們之間的相互作用.

通過(guò)設(shè)計(jì)TC 加速試驗(yàn)，結(jié)合SAM 與掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)表征方法，建立了某款I(lǐng)GBT 模塊焊層空洞率及襯板/系統(tǒng)焊層界面結(jié)構(gòu)與TC 次數(shù)的關(guān)系，并解析了系統(tǒng)焊層的退化機(jī)理，同時(shí)也分析了焊層缺陷對(duì)模塊飽和壓降和熱阻的影響.這種焊層可靠性評(píng)價(jià)方法的建立可為IGBT 模塊焊層的可靠性設(shè)計(jì)、可靠性評(píng)價(jià)和應(yīng)用工況下的壽命預(yù)測(cè)提供參考思路.

1 試驗(yàn)方法

研究的IGBT 模塊的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中焊層有母排焊層、芯片焊層及系統(tǒng)焊層3 種類型，3 者成分都為SnPbAg 基焊料，其中母排焊層的成分與系統(tǒng)焊層相同，另外，襯板、基板及母排表面都鍍有鎳層.相對(duì)于其它熱相關(guān)可靠性試驗(yàn)，TC 試驗(yàn)通過(guò)熱板加熱，溫變速率高，而且其考核范圍廣，能完全覆蓋這3 種焊層，因此選用TC 加速試驗(yàn)的方法來(lái)評(píng)價(jià)模塊焊層的可靠性，TC 的典型溫度-時(shí)間曲線如圖2 所示.為了加速焊層的老化，將殼溫差(△Tc)設(shè)置為120 ℃，低溫保持為25 ℃，溫變速率為1～ 2 K/s；同時(shí)，為了研究焊層及其界面結(jié)構(gòu)的變化，設(shè)計(jì)了4 個(gè)不同的循環(huán)次數(shù)，分別為N，2N，3N及4N次循環(huán)(N代表一定的循環(huán)次數(shù))，樣本量均為 4 支.模塊的空洞分析所用的 PVA SAM301 型超聲掃描設(shè)備，使用的探頭頻率為35 MHz，分辨率設(shè)置為50 μm.分析模塊焊層界面結(jié)構(gòu)的制樣方法采用經(jīng)典的金相制樣流程(切割-鑲嵌-研磨-拋光)，由于基板硬度較大，在拋光起始階段采用1～ 3 μm 的金剛石懸浮液作為介質(zhì)以獲得表面光滑的樣品.采用Hitachi SU800 型掃描電子顯微鏡進(jìn)行界面結(jié)構(gòu)分析.為了提高焊層界面圖像的襯度，采用背散射電子作為分析源，采用Image J 軟件統(tǒng)計(jì)焊層界面的結(jié)構(gòu)尺寸.

圖1 IGBT 模塊結(jié)構(gòu)的示意圖Fig.1 Structure diagram of IGBT module

圖2 典型TC 的溫度?時(shí)間曲線Fig.2 Temperature?time curve of representative TC

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同循環(huán)次數(shù)的典型焊層的SAM 照片如圖3 所示.老化前的系統(tǒng)焊層(襯板與基板間的焊層)中有一定的空洞，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，焊層中間及邊緣的空洞率逐漸增加，邊緣空洞率增加速率明顯高于中心，這是由于邊緣容易引起應(yīng)力集中.芯片焊層、母排焊層的退化趨勢(shì)與系統(tǒng)焊層類似：退化主要從邊緣向內(nèi)部逐漸擴(kuò)展.不同焊層的空洞率隨TC 次數(shù)的變化關(guān)系如圖4 所示，母排焊層的退化速率最高，這可能是由于在熱應(yīng)力作用下，母排焊層會(huì)同時(shí)受到環(huán)氧與基板的拉力及界面CTE 不匹配的剪切力所導(dǎo)致的.當(dāng)TC 次數(shù)為8N時(shí)，母排焊層的空洞率高達(dá)83%，母排基本脫附，分別為系統(tǒng)焊層和芯片焊層空洞率(17.6%和6.2%)的4.7，13.3 倍，此表明在該封裝體系下優(yōu)化該模塊可靠性時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注母排焊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

圖3 不同TC 次數(shù)下模塊不同焊層的典型SAM 照片F(xiàn)ig.3 Typical SAM photos of different solder layers of modules with different TC cycles.(a) system solder layer;(b)the chip solder layer and the busbar solder layer

圖4 不同焊層的空洞率隨TC 次數(shù)的變化Fig.4 Void rate of different solder layers of the module with different TC cycles.(a) busbar solder layer;(b) system solder layer;(c)chip solder layer

焊層對(duì)模塊的電、熱性能均有較大影響，因此也分析了TC 次數(shù)對(duì)模塊靜態(tài)性能和熱阻的影響.在靜態(tài)結(jié)果中，只有集電極和發(fā)射極之間的壓降(Vce)有異常.不同TC 次數(shù)下模塊特征參數(shù)的變化率如圖5 所示，隨著TC 次數(shù)增加，Vce的變化率逐漸增加，當(dāng)TC 次數(shù)為8N次時(shí)，Vce的增加率高達(dá)12.3%，表明此時(shí)模塊已失效.結(jié)合SAM 分析表明，母排焊層中的空洞率對(duì)模塊壓降的影響非常明顯，這是由于母排焊層中83%空洞率明顯增加了母排與襯板間的接觸電阻，因此母排焊層的可靠性決定模塊的最終可靠性，所以，可推斷在研究該模塊的解析壽命模型時(shí)，基于功率循環(huán)的壽命要高于基于TC 的壽命.不同TC 次數(shù)下模塊的熱阻變化率如圖5b 所示，隨TC 次數(shù)的增加，熱阻變化較小.由于芯片焊層直接與芯片接觸，因此其對(duì)熱阻影響較大，而系統(tǒng)焊層的橫向面積為芯片焊層，而且橫向傳熱較少，因此系統(tǒng)焊層對(duì)熱阻的影響較小.另外，母排焊層不在芯片熱耗散的路徑上，所以，當(dāng)母排焊層的空洞率高達(dá)83%時(shí)，模塊的結(jié)殼熱阻值也與循環(huán)前較接近.

圖5 不同TC 次數(shù)的模塊特征參數(shù)的變化率Fig.5 Change rate of the module characteristic parameters with different TC cycles.(a) Vce;(b)thermal resistance

根據(jù)SAM 結(jié)果表明，焊層是從邊緣開(kāi)始退化，芯片焊層退化相對(duì)較慢，母排焊層退化最嚴(yán)重，但受制于母排的結(jié)構(gòu)及母排快速的退化率，制備穩(wěn)定、重復(fù)性好的金相樣本工序較為復(fù)雜.同時(shí)，未來(lái)母排焊接工藝將會(huì)被可靠性更高的超聲焊接工藝所替代，另外，母排焊層與系統(tǒng)焊層所用焊料成分也相同，所以，系統(tǒng)焊層的結(jié)構(gòu)及其退化機(jī)理被重點(diǎn)分析.焊層的可靠性是由其薄弱位置缺陷增加的速率決定的，因此選擇在缺陷較多的區(qū)域分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn).為了盡量減少模塊個(gè)體間分析結(jié)果的差異性，不同模塊的相同位置被選擇作為分析對(duì)象，同時(shí)選擇邊緣芯片作為參考點(diǎn)，以利于金相制樣位置的定位，在芯片長(zhǎng)度范圍內(nèi)等間距取10 個(gè)分析點(diǎn)，每個(gè)分析點(diǎn)取3 個(gè)位置分析其下方系統(tǒng)焊層的退化情況.另外，每個(gè)條件下模塊的制樣數(shù)為3 個(gè).

圖6 為典型的的襯板-焊層界面的橫截面SEM 及線掃描結(jié)果.結(jié)合兩者分析可知，由上至下的結(jié)構(gòu)為銅、鍍鎳層、IMC 層及焊層，其中鎳鍍層有明顯的兩個(gè)襯度，并且兩者的厚度分布都較為均勻.結(jié)合EDS 分析可知，靠近銅側(cè)，磷含量較少，襯度偏淺；靠近焊層側(cè)，磷含量較高，為富磷層.IMC 的主要成分為Ni 與Sn，為Sn 基IMC，由此表明鍍層中Ni 向焊層中發(fā)生了明顯的擴(kuò)散，這也說(shuō)明富磷層的形成是由于鍍層中鎳向焊層擴(kuò)散引起了鍍層中磷相對(duì)含量的增加.

圖6 典型的襯板?焊層界面的橫截面結(jié)構(gòu)Fig.6 Typical cross?sectional structure of the interface between substrate and system solder layer.(a)SEM images;(b) line scanning results

圖7 為不同TC 次數(shù)下典型橫截面SEM 照片.圖8 為不同TC 次數(shù)下低倍橫截面的系統(tǒng)焊層及其界面的SEM 照片，圖中頂部和底部分別為襯板和基板.圖7a 為基板-焊層界面的SEM 照片，結(jié)構(gòu)基本與襯板-焊層界面相似，IMC 層的厚度也接近，基板鍍層的厚度大于襯板鍍層的厚度，原始鍍層及富磷層厚度的分布非常不均勻.這是由于基板的粗糙度較大，同時(shí)，富磷層的平均厚度明顯小于襯板-焊層界面中富磷層的厚度.由圖7 和圖9 可知，隨著TC 次數(shù)的增加，富磷層的厚度逐漸增加，循環(huán)前、循環(huán)2N，3N，4N次TC 后富磷層的平均厚度分別為412，526，619，728 nm 和913 nm，這表明隨著TC 次數(shù)的增加，Ni 原子逐漸向焊層內(nèi)部擴(kuò)散，使富磷層的厚度逐漸增加.隨著TC 次數(shù)增加，襯板-焊層界面的裂紋數(shù)量逐漸增加，而且裂紋位置基本上都在IMC 或富磷層界面處.結(jié)合圖7 和圖9 分析可知，這是由于界面中硬度較大的IMC 和富磷層持續(xù)生長(zhǎng)引起了界面間部分區(qū)域的應(yīng)力集中而產(chǎn)生了裂紋[17-19]，這些裂紋通常是由空洞萌生長(zhǎng)大形成，這種隨著TC 次數(shù)增加，裂紋逐漸增加的趨勢(shì)與SAM 分析結(jié)果一致.而在同樣TC 次數(shù)下，在基板-焊層界面處未發(fā)現(xiàn)裂紋，結(jié)合圖7 分析可知，襯板-焊層界面與基板-焊層界面處的IMC 的平均厚度基本接近，但是基板-焊層界面的富磷層較薄，因此空洞/裂紋產(chǎn)生的主要機(jī)制為富磷層厚度的增加導(dǎo)致應(yīng)力集中較大.所以，可以通過(guò)優(yōu)化鍍層中磷含量或焊接工藝來(lái)提升系統(tǒng)焊層可靠性.

圖7 不同TC 次數(shù)下典型橫截面的SEM 照片F(xiàn)ig.7 SEM images of the typical cross-sectional interface with different TC cycles.(a) base plate?solder interface before the cycle;(b) substrate?solder interface before the cycle;(c) substrate?solder interface with cycle 2N times;(d) substrate?solder interface with cycle 4N times;(e) substrate?solder interface with cycle 6N times;(f)substrate?solder interface with cycle 8N times

圖8 不同TC 次數(shù)下典型橫截面的低倍SEM 照片F(xiàn)ig.8 Low power SEM images of the typical crosssectional interface with different TC cycle.(a)before the cycle;(b) cycle 4N times;(c) cycle 8N times(low power);(d) cycle 8N times

圖9 不同TC 次數(shù)下模塊的襯板與系統(tǒng)焊層界面的富磷層厚度Fig.9 Thickness of the P-rich layer at the interface between substrate and system solder of the module interface with different TC cycles

3 結(jié)論

(1)在高加速被動(dòng)熱循環(huán)條件，母排焊層的可靠性最低，這可能是在熱應(yīng)力作用下，由于母排焊層同時(shí)受到環(huán)氧與基板的拉力及界面CTE 不匹配的剪切力所致.在TC 條件下，芯片焊層退化較少，模塊熱阻變化相對(duì)較??；模塊的失效模式為壓降超標(biāo)，主要由母排接觸電阻增加所致.

(2)基于SnPbAg 焊層與襯板及基板界面結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程分析，解析了系統(tǒng)焊層的退化機(jī)理，熱應(yīng)力作用下，界面中硬度較大的IMC 和鍍層中磷相對(duì)含量持續(xù)增加引起了界面間部分區(qū)域的應(yīng)力集中而導(dǎo)致界面裂紋的萌生和生長(zhǎng)，其中后者占主導(dǎo)作用.