IGBT 封装结构与可靠性

作者:武汉光电国家实验室 教授 吴懿平 博士

引言

节能减排、清洁能源、低碳经济已经成为未来社会发展的关注焦点,采用电力电子技术实现能源的高速度、高精度、高可靠、高效率转换,将“粗电”转化为“精电”,是实现节能减排的基础和根本。功率半导体器件则是实现电能变换和控制的关键,也是节能减排中最核心的技术突破口。绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)是一种新型功率半导体器件,全称为绝缘栅双极型晶体管。IGBT可广泛应用于电力领域、消费电子、汽车电子、新能源等传统和新兴领域。与微电子技术中芯片技术(CPU)一样,IGBT芯片技术是电力电子行业中的“心脏”和“大脑”,能控制并提供大功率的电力设备电能变换,有效提升设备的能源利用效率、自动化和智能化水平。由于其原理上集合了高频、高压、大电流三大技术优势,被公认为是电力电子技术第三次革命最具代表性的产品。

由IGBT芯片组成的IGBT器件、模块、组件以及系统装置广泛应用于空调、洗衣机等家用电器,以及轨道交通、智能电网、航空航天、船舶驱动、新能源、电动汽车等高端产业,特别是在涉及国家经济安全、国防安全等战略性产业领域,高功率等级的IGBT尤为关键。依据IGBT的断态电压分布来看,消费电子领域主要应用的IGBT产品为600 V以下;600 V以上的多用于工业控制、电力电子、智能电网、轨道交通等领域。其中主流的太阳能逆变器需要600/650 V和1 200 V低损耗的IGBT;动车组主要应用的IGBT模块为3 300 V和6 500 V,轨道交通所使用的IGBT电压在1 700~6 500 V之间;智能电网使用的IGBT通常为3 300 V。其应用分布如图1所示。

在中低电压领域,IGBT是新能源汽车电机驱动系统的核心元件,约占电机驱动系统成本的一半。而电机驱动系统占整车成本的15%~20%,也就是说IGBT占整车成本的7%~10%。IGBT在新能源车中是除电池之外成本第二高的元件,同时也决定了新能源车的整车能源效率。此外新能源车主要配件和外设,如车载空调控制系统和新能源车充电桩,也需要大量IGBT模组。

从20世纪80年代至今,IGBT芯片制造技术经历了6代升级,从平 面穿通型(PT)到沟槽型电场-截止型(FS-Trench),芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断时间、功率损耗等各项指标经历了不断的优化,断态电压也从600 V提高到6 500 V以上,见表1。第7代IGBT由三菱电机在2012年推出,IGBT更新一代的SiC技术也已经面市,三菱、Fuji、Rohm等都有能力制造出SiC元件。

IGBT封装结构

焊接式IGBT模块

IGBT模块按封装工艺主要可分为焊接式与压接式两类。高压IGBT模块一般以标准焊接式封装为主,中低压IGBT模块则出现了很多新技术,如烧结取代焊接、压力接触取代引线键合的压接式封装工艺。典型的焊接式IGBT模块内部结构如图2所示,为多层结构。从上至下依次由环氧树脂、IGBT芯片、DBC(Directed Bonding Copper,DBC)以及金属散热板(通常选用铜)、焊层、基板、导热胶、紧固件、散热器等部分组成。环氧树脂是保护模块内部各结构免受机械冲击,是硅胶与外壳的缓冲层。其中DBC作为芯片支撑以及各电极的电流中转通道由三层材料构成,上下两层为金属层,中间层是绝缘陶瓷层。相比于陶瓷衬底,DBC的性能更胜一筹:它拥有更轻的质量,更好的导热性能,而且可靠性更好。焊层将各层结构连接为一个有机整体,且各层焊料不尽相同,以匹配最优的热膨胀系数。硅胶保护模块内部各结构免受潮湿、酸碱等腐蚀以及足够的绝缘强度。

压接式IGBT模块

目前为止,压接式IGBT器件的相关技术仍然为国外少数几个厂家所掌握。商业化的压接式IGBT器件主要有ABB公司的Stakpak IGBT Module、Fuji公司的Flat-packaged IGBT、Toshiba公司的Silicon N-channel IGET、Westcode公司的Press Pack IGBT。其中,只有ABB公司的压接式IGBT器件采用了弹性压接技术,其他三个公司都采用了硬压接技术。压接式IGBT结构与焊接式IGBT结构差别很大,而且压接式IGBT封装结构还分为凸台式和弹簧式,但弹簧式压接式封装结构的专利由ABB公司所持有,因此其他公司如Toshiba,Westcode和Dynex等公司全部采用与晶闸管类似的凸台式封装结构。

凸台式IGBT

Westcode公司提出第二代封装结构,如图3所示,这种封装采用每个芯片对应一个集电极钼片结构。此外,这种封装结构可以使得每个芯片先装入子模组,然后进行子模组的测试。将测试后的子模组进行筛选,选择合适的子模组进行组合后再整体封装,从而提高了器件的整体开关性能。这种封装结构可以非常便捷地将失效的芯片替换掉。

IGBT模组由IGBT芯片、上钼片、下钼片、导电银片、栅极顶针、以及塑料固定框架按照图中的方式堆叠而成,整个压接式IGBT器件从上至下依次由集电极金属电极、IGBT模块组、栅极PCB以及发射极金属电极压接而成。

弹簧型压接式IGBT

由于凸台型封装结构采用的是硬压接方式,各个垫片高度不一致将会导致芯片上压力分布的差异性很大。因此,在凸台型压接式IGBT结构的基础上,ABB公司提出了弹性压接概念。其内部主要特点是利用弹簧来平衡器件压力,内部每个芯片由独立弹簧接触,这样可以使每个芯片表面的压力保持均匀,如图4所示。

这种弹性压接的封装结构降低了对机械夹具表面平行度以及芯片、钼片等厚度精度的要求,大大降低了量产成本。与焊接式IGBT模块相比,压接式IGBT器件以其耐受电压高、通过电流大、控制功率低、开关速度快以及双面散热等优势,非常适合于电力机车牵引、大电流脉冲发生器等大功率应用场合,也适合于柔性直流输电换流阀和直流断路器等设备。

IGBT可靠性

IGBT封装失效机理

半导体功率器件的可靠性是指在一定的条件下,器件完成规定功能的能力,通常用使用寿命表示。由于半导体器件主要是用来实现电流的切换,会产生较大的功率损耗,因此,IGBT的热管理已成了设计中的重中之重。在电力电子器件的工作过程中,首先要应对的就是热问题,包括稳态温度、温度循环、温度梯度以及封装材料在工作温度下的匹配问题。

由于IGBT采取了叠层封装技术,该技术不但提高了封装密度,同时也缩短了芯片之间导线的互联长度,从而提高IGBT器件的运行速率。由于封装密度的提升、工作电流密度提升和散热性降低直接给IGBT可靠性带来了新挑战。统计表明,IGBT模块封装级失效主要发生在键合线的连接处1、芯片焊接处2、基片焊接处3和基片等位置,如图5所示。

在通常的功率循环或温度循环中,芯片、焊料层、基片、底板和封装外壳都会经历不同程度的温度及温度梯度。热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion,CTE)是材料的一项重要性能指标,指的是在一定温度范围内温度每升高1 ℃,线尺寸的增加量与其在0 ℃时的长度的比值。图6是IGBT堆叠结构中常用材料的热膨胀系数,由于各自材料的热膨胀系数不同,在温度变化时不同材料之间的热应变不同,相互连接层之间的接合会产生因热应力疲劳损耗。因此,器件的热行为与模块封装的结构息息相关。工作温度每上升10 ℃,由温度引起的失效率增加一倍。

铝接合导线的脱离

IGBT内的铝接合导线的直径通常为300~500 μm,它们的化学成分因生产厂商而异。通常情况下,在纯铝中加入千分之一的合金,例如硅镁或硅镍合金,铝的硬度会大大提升因而抗腐蚀性得以控制。由于与长度的不成比例以及轻微依赖衬底的温度,接合线的电流容量会有所下降。最大直流电流受限于导线自身的欧姆热效应带来的熔化。由于铝接合线是直接接在芯片或压力缓冲器上,会承受较大的温度变化,而IGBT模块是由不同热膨胀系数的材料构成,在工作期间必然会有明显的热疲劳。这种疲劳会随着工作时间的推移,导线自身的欧姆效应变得越来越明显,最终在键合线根部产生裂痕。

在热循环测试中,热膨胀系数的不匹配会造成键合表面周期性的挤压和拉升作用,而这种作用远远超出材料本身的伸缩范围。在此情况下,压力会通过不同的方式释放出去,如扩散蠕动、颗粒滑行、错位等形式。铝的重塑会导致接触面有效面积减少,从而导致方块电阻增加。这也解释了为什么随着周期性测试,Vce也呈线性增加的趋势。

焊料疲劳与焊料空隙

芯片与衬底之间的焊料层因热膨胀系数的不同产生的裂痕会增加导线的接触电阻,电阻的增加会导致欧姆效应的增强,如此温度正反馈会使裂痕越演越烈,最终导致器件失效。焊料层内的空洞会影响温度热循环,器件散热性能降低,这也会促进温度上升,从而加快模块损坏。并且,应力与应变之间存在着滞回现象,在不断的温度循环当中,材料的形状实时地发生改变,这又增加了焊锡的热疲劳。此外,因工艺问题在焊锡中引入的空洞会影响期间在工作过程中的热循环,造成局部温度过高,这也是模块失效的一个重要原因。

晶圆及陶瓷裂痕

在IGBT叠层结构中,因热膨胀系数的不匹配会给各层带来非常大的机械应力。在温度差异的情况下,各层材料的形变有所不同,并且同层材料的不同部分也会因为温度分布的差异导致形变程度的不同,这样就不可避免地存在局部应力过大的问题,从而导致结构中的脆性材料的开裂,主要体现在晶圆和陶瓷裂痕上。……………….

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