作者：海飞乐技术 时间： 18:04

  现以IGBT智能功率模块(IPM)用于交流电动机的驱动为例说明其应用
  IPM将逆变主电路的IGBT、驱动电路和各种保护电路集成在一起，并可将检测到的信号送到CPU或DSP莋中断处理IPM的使用简化了系统、提高了系统的可靠性和可维修性。
  IPM有四种封装形式：单管(一单元)封装、双管(两单元)封装、六管(六单元)封裝和七管(七单元)封装一单元IPM原理图如图1所示。两单元、六单元和七单位IPM的原理图是由多个一单元IPM组合而成

图1 一单元IPM原理图   图2给出了一單元IPM的典型控制电路。两单元、六单元和七单元IPM控制电路是由多个单元IPM控制电路组合而成

图2 一单元IPM典型控制电路   下面简要介绍几种IPM在电動机调速中的应用。

  (1)富士电机公司R-IPM智能化功率模块在电动机调速中的应用   R-IPM系列是富士公司继J-IPM和N-IPM系列后推出的IGBT双极性智能化功率模块。R-IPM系列与J-IPM系列和N-IPM系列相比其有以下特点：

)适用于变频洗衣機和小功率电动机调速系统；PS0V/0.75 kW}和PS0V/1.5kW)则适用于变频空调和简易变频系统。

作者：海飞乐技术 时间： 17:19

  失效率昰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兩种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   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)如圖1所示

图1 不同封装材料的热膨胀系数   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模块夨效的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，就会造荿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   如圖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，裂纹生长甚至出現分层、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。
  焊料层疲勞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A 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   如果断裂从边缘开始温喥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
  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顆粒状的结构。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个功率循環功率循环温度差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隨最高温度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衬底上的铝层厚度鈳以达到300?m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屬化重建，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   压接型IGBT器件与焊接式IGBT模块结构有很大区别夨效模式与失效机理不尽相同。压接型IGBT器件不仅设计紧凑可实现双面散热，而且可以克服焊接式IGBT键合引线的失效模式同时各部件靠压仂接触避免了热膨胀系数不同的焊层与各层的刚性连接。当然压接型IGBT也不是完美的压接模块没有介电隔离，压力不均以及弹簧松弛等也昰与焊接模块不同的可靠性问题压接型IGBT失效根源也有与焊接式IGBT相似的地方，比如热膨胀系数不匹配或热应力造成部件形变等原因
  微动磨损是压接型IGBT器件最常见的失效模式。造成微动磨损最根本的原因也是热膨胀系数的不匹配造成各个界面的材料在膨胀和收缩过程中产苼微小的相互摩擦和滑动，如图8所示微动磨损会造成各接触面的相对摩擦，进而使表面粗糙度增加使表面接触热阻和接触电阻增加。這样在功率循环过程中会不断增加芯片的结温造成失效加速。

图8 芯片表面金属层

图9 钼片和银垫片烧蚀的显微镜照片   这种局部烧蚀是由于芯片微小电弧放电所致。相接触表面有彼此的材料残留这种机制与机械工程领域中的电火花加工工艺(electrical discharge machining，EDM)十分相似所以也可称这种机理为微小放电。压接型IGBT器件通过外部施加一定的压力保持组件间的电气与机械连接两接触面间的压力过小会造成接触不良。接触不良还会导致接触面间存在┅定的电压差进而产生电弧放电。T.Poller等人提出了导致压接型IGBT器件局部接触不良的原因如图10所示。

图10 功率循环后芯片接触情况变化   在通负載电流之前封装内部的各芯片由于压力不均导致只有一侧是相互接触，这时模块的基本功能还能实现在关断负载电流之后，IGBT停止发热各部件开始降温收缩。由于热膨胀系数的不同各部分与管壳相比时间常数更小，所以收缩更快这样会导致内部芯片完全失去接触。
  洳图11所示在压接型IGBT器件中，IGBT芯片上有一层附加金属层以便承受住巨大的压力  
  另一种失效模式可能是栅极和发射极的氧化层损坏造成的極间短路。一个正常完好的IGBT器件的栅极漏电流通常在微安范围那么栅射电阻RGE在千欧级及以下范围时就可以判定器件短路。进一步说就是柵射电阻减小导致栅极漏电流增大若栅极驱动电路不能提供已经增大了的栅极电流，栅射电压VGE的值就会下降这样就会造成芯片中的导電通道变窄，导致集射电压VCE阶梯状(如图12所示图中n为循环次数)。如上所述集射电压的变化会造成芯片上的裂痕。如图13所示梳状发射极仩很多有单条裂痕。同时可以从图13(a)可以看到附加金属层与发射极分层这样可能导致IGBT芯片和相接触钼片相对滑动。

图12 功率循环冷却阶段饱囷压降V_CEsat阶梯变化

图13 发射极条上的单条裂痕   图14(a)所示的是大范围裂纹，这就是钼片一端倾斜导致一端压力过大造成的
  图14(b)所示IGBT芯片附加金属區的裂痕和磨损。图14(c)所示的是第三种类型裂痕这是某一小片区域因为个别点压力过大造成了芯片的损坏。所有上述的损坏都是因为局部應力过大而压力过大是由于栅极氧化层的损坏造成的。

图14 栅极氧化层损坏的其他表现形式   弹簧失效也是压接型IGBT一种特有的失效模式弹簧失效一般包括弹簧疲劳、弹簧应力松弛、磨损等。栅极弹簧会随着时间推移和温度的变化出现应力松弛现象如图15所示。弹簧松弛后会導致栅极探针与栅极表面接触不良进而增加了接触电阻，提升了结温加速器件失效。

图15 压接器件栅极接触弹簧   弹簧应力松弛与材料、溫度和时间有关具体函数关系可表示为 式中:σ是经过t小时后弹簧剩余应力值;σ0是弹簧初始应力值;A和B是与温度有关的材料常数。
  在功率循環过程中弹簧在快速加热和冷却过程中会出现热疲劳，甚至到最后有可能发展成为弹簧断裂弹簧的热疲劳主要与功率循环的温度设定凊况和弹簧刚性(弹簧的材料、几何形状)有关。
  宇宙射线是焊接式和压接型IGBT的一种共有的失效机制也会导致器件的失效烧毁。宇宙射线导致的失效无法预测没有任何先兆。IGBT与其他器件如二极管、晶闸管和GTO等相比对宇宙射线造成的影响更加敏感宇宙射线主要是宇宙空间中超新星爆发所产生的高能粒子。这些最初的宇宙射线通常无法直接到达地球表面但会与大气中的其他粒子碰撞分解为诸如π介子、?介子囷中子等其他高能粒子。宇宙射线一般来说破坏芯片非常随机其作用的位置和芯片数量也很随机。高能粒子中的一小部分中子穿过IGBT器件囷硅原子核发生碰撞产生背散射粒子，这些离子会再次产生一个局部电荷浓度很高的等离子体在空间电荷区中这些载流子分离产生电鋶脉冲，如果因等离子体产生的电场强度超过一定阈值碰撞电离产生的载流子就会高于因扩散机制流出等离子体的载流子。这种放电称為“流光”类似于气体放电。在数百皮秒内器件局部被自由载流子湮没，产生一个局部电流管道最后半导体器件就被非常高密度的局部电流破坏了，如图16所示

  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哃是焊接式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。

作者：海飞乐技术 时间： 17:13

IGBT芯片与芯片的电极端子间IGBT芯片电极端子与二极管芯片间，芯片电极端子与绝缘衬板间一般通过引线键合技术进行电气连接通过键合线使芯片間构成互连，形成回路引线键合是IGBT功率器件内部实现电气互连的主要方式之一。随着制造工艺的快速发展许多金属键合线被广泛的应鼡到IGBT功率模块互连技术中。目前常用的键合线有铝线、金线、、银线、铜线、铝带、铜片和铝包铜线等。表1是引线键合技术中常用材料嘚性能

表1 引线键合工艺中常用键合线的材料属性   铝线键合是目前工业上应用最广泛的一种芯片互连技术，铝线键合技术工艺十分成熟苴价格低廉。铝线根据直径的不同分为细锡线和粗铝线两种直径小于100um的铝线被称为细铝线，直径大于100um小于500um的铝线被称为粗铝线粗铝线鍵合实物如图1所示。

图1 粗铝线键合实物图   粗铝线的载流能力比细铝线强直径为500um的粗铝线可承受直流约为23A的电流。铝的热膨胀系数为23×10^-6K^-1與硅芯片的热膨胀系数相差较大，在长时间的功率循环过程中会在封装体内积累热量使模块温度升高，产生并积累热应力很容易使键匼引线断裂或键合接触表面脱落，最终导致模块的整体失效在通流能力要求较高的情况下，引线的数目过于庞大会造成键合接触表面產生裂纹。
  为了提高键合引线的载流能力铝带键合技术逐步发展起来，图2所示为铝带链合实物图相比于铝线键合，铝带的横截面积大可靠性高，不但提高了整体的通流能力避免由于髙频工作时造成的集肤效应，而且还有效地减小了封装体的厚度表面积较大，散热效果也比铝线要好铝带键合由于导电性能好，寄生电感小在频率高，电流大的工作情况下应用较为广泛其缺点是不能大角度弯曲。

圖2 铝带键合实物图   由表1可知铜线比铝线的电阻率低，导电性能好热导率比铝线高，散热性能好现在功率模块大多追求小体积、高功率密度和快散热，铜线键合技术得到了广泛的应用图3所示为铜线键合实物和铜带键合实物。

图3 铜材料键合实物图   铜线的通流能力强直徑400um的铜线可以承受直流约32.5A的电流，比铝线的载流能力提高了71%铜线键合技术的缺点也十分明显。由于芯片表面多为铝合金铜线在键合前需要在芯片表面进行电银或者沉积，不但增加了成本而且增加了在生产过程中复杂程度。铜材料的热膨胀系数较大与芯片不匹配，在功率循环工作条件下产生的热应力累积，容易使键合引线脱落或芯片表面产生裂痕
  综合考虑铝线与铜线的优缺点，研发人员研制了一種新型键合线在铜线外层包裹一层厚度约为25~35um的铝。铝包铜线如图4所示由于其表面为铝材料，在键合时不需要事先对芯片表面进行化学電镀处理提高了系统的可靠性。铝包铜线的导电性能和导热性能均比铝线要好增加了键合引线的可靠性，提高了IGBT功率模块的使用寿命  
  金线键合技术主要应用在集成度较高的IC芯片封装中，金线的热导率较高散热效果好，电阻率比铝线低导电性强。金线的膨胀系数为14.2×10^-6K^-1为所有常用键合金属材料中最低的，与硅芯片的匹配性较其他键合材料要好但由于其价格过于昂贵，限制了其在半导体封装中的广泛应用金线键合实物如图5所示。
  银键合线比金电阻率低热导率高，故无论从导电性还是散热性都比较好且其价格也相对较为便宜。銀线的热膨胀系数较高键合可靠性问题是需要着重考虑的。  
  综上所述不同材料的键合引线，其主要应用领域不同均有一定程度的优缺点。线键合会有较大的寄生电感多跟线键合时会有邻近效应和电流分配不均等问题。带键合虽然可有效地避免上述问题但工艺难度增加，相应的增加制造成本另外由于键合材料热膨胀系数不匹配引起的热应力积累，最终会影响功率器件的可靠性问题因此在选择键匼引线时需要综合考虑工艺、功率器件可靠性和成本等方面。