隨著新能源汽車(chē)、光伏逆變、電機(jī)控制等領(lǐng)域快速發(fā)展，功率半導(dǎo)體器件在高電壓、大電流、高溫環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行，對(duì)器件可靠性提出更高要求。IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）作為典型功率半導(dǎo)體器件，具有高輸入阻抗、高開(kāi)關(guān)速度以及較強(qiáng)電流承載能力，被廣泛應(yīng)用于電力電子變換裝置中。
然而，在長(zhǎng)期工作過(guò)程中，IGBT不僅可能受到電壓波動(dòng)、電流沖擊等電氣因素影響，其內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)也可能因熱循環(huán)、機(jī)械應(yīng)力等因素出現(xiàn)連接失效，因此，對(duì)IGBT封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械可靠性評(píng)估，也是功率半導(dǎo)體可靠性驗(yàn)證的重要環(huán)節(jié)。
本文科準(zhǔn)測(cè)控小編將圍繞IGBT封裝失效原因以及Alpha-W260推拉力測(cè)試機(jī)在可靠性檢測(cè)中的應(yīng)用，為您展開(kāi)介紹如何通過(guò)鍵合線拉力、芯片剪切、焊點(diǎn)強(qiáng)度等測(cè)試方式，對(duì)器件內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能分析。
一、 IGBT器件為什么需要進(jìn)行封裝可靠性評(píng)估？
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）是一種結(jié)合MOSFET高輸入阻抗特性和雙極型晶體管大電流傳輸能力的功率半導(dǎo)體器件，廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)、光伏逆變器、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源設(shè)備等高功率應(yīng)用場(chǎng)景。
與普通集成電路芯片不同，IGBT需要在高電壓、大電流環(huán)境下長(zhǎng)期工作，因此除了芯片本身的電氣性能外，封裝結(jié)構(gòu)的可靠性同樣決定著器件的使用壽命。
從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)看，一個(gè)完整的IGBT器件主要由芯片、絕緣層、金屬化層、鍵合線、焊接層、基板以及外部封裝結(jié)構(gòu)組成。
其中：
l IGBT芯片是實(shí)現(xiàn)電能控制和開(kāi)關(guān)功能的核心部分，負(fù)責(zé)控制電流導(dǎo)通與關(guān)斷；
l 鍵合線用于連接芯片電極與外部端子，實(shí)現(xiàn)電流傳輸；
l 焊接層用于固定芯片，并承擔(dān)熱量傳遞作用；
l 基板為芯片提供機(jī)械支撐，同時(shí)幫助器件散熱；
l 外部封裝材料則用于保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，避免受到外界環(huán)境影響。
這些結(jié)構(gòu)共同組成了IGBT的電氣連接和機(jī)械支撐體系。
二、 IGBT封裝中常見(jiàn)機(jī)械失效模式有哪些？
常見(jiàn)機(jī)械失效主要集中在鍵合線、芯片連接界面以及焊接結(jié)構(gòu)等位置。
1. 鍵合線疲勞與斷裂
在功率半導(dǎo)體器件中，鍵合線承擔(dān)著芯片與外部電極之間的電流傳輸任務(wù)，是封裝內(nèi)部的重要連接結(jié)構(gòu)。
IGBT在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生周期性溫度變化，鍵合線與芯片、焊盤(pán)之間由于材料特性不同，會(huì)受到反復(fù)熱應(yīng)力作用。隨著工作時(shí)間增加，鍵合區(qū)域可能出現(xiàn)疲勞累積，導(dǎo)致：
鍵合線變形；
焊盤(pán)連接區(qū)域損傷；
鍵合線斷裂。
一旦鍵合線失效，會(huì)導(dǎo)致器件電流傳輸異常，嚴(yán)重時(shí)可能造成器件失效。
因此，需要通過(guò)鍵合線拉力測(cè)試評(píng)價(jià)連接強(qiáng)度，判斷鍵合工藝是否滿(mǎn)足可靠性要求。
2. 芯片與基板連接失效
IGBT芯片通常通過(guò)焊接層或其他連接材料固定在基板上，該界面不僅承擔(dān)機(jī)械固定作用，同時(shí)還負(fù)責(zé)熱量傳遞。
由于芯片、焊料和基板材料之間存在熱膨脹差異，在長(zhǎng)期溫度循環(huán)過(guò)程中，連接界面會(huì)不斷受到熱機(jī)械應(yīng)力影響。
隨著循環(huán)次數(shù)增加，可能出現(xiàn)：
焊層裂紋；
界面分層；
芯片結(jié)合強(qiáng)度下降。
這類(lèi)問(wèn)題會(huì)影響器件散熱能力，并進(jìn)一步加劇內(nèi)部溫升，形成惡性循環(huán)。
3. 焊點(diǎn)連接強(qiáng)度下降
功率半導(dǎo)體內(nèi)部存在多個(gè)焊接連接區(qū)域，例如芯片焊接層、引腳連接位置等。
如果焊接過(guò)程中存在材料缺陷、空洞或者界面結(jié)合不足，在長(zhǎng)期工作狀態(tài)下可能逐漸產(chǎn)生裂紋。
焊點(diǎn)失效初期可能不會(huì)立即導(dǎo)致器件停止工作，但隨著裂紋擴(kuò)展，會(huì)增加電阻并影響電流傳輸穩(wěn)定性。
因此，通過(guò)焊點(diǎn)推力測(cè)試、剪切測(cè)試等方法，可以提前評(píng)估封裝連接可靠性。
三、 推拉力測(cè)試機(jī)如何檢測(cè)IGBT封裝可靠性？
推拉力測(cè)試機(jī)通過(guò)施加拉伸、推力或剪切載荷，使封裝內(nèi)部某一連接結(jié)構(gòu)達(dá)到破壞狀態(tài)，并記錄最大承載力、破壞位置以及失效模式。
通過(guò)這些測(cè)試數(shù)據(jù)，可以分析封裝工藝是否穩(wěn)定，以及器件內(nèi)部連接是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
1. 鍵合線拉力測(cè)試（Wire Pull Test）
鍵合線拉力測(cè)試主要用于評(píng)價(jià)IGBT內(nèi)部鍵合線與焊盤(pán)之間的連接強(qiáng)度。
測(cè)試過(guò)程中，夾具固定鍵合線，通過(guò)垂直方向施加拉力，直到鍵合線斷裂或者連接區(qū)域發(fā)生破壞。
測(cè)試結(jié)果通常包括：
最大拉力值；
斷裂位置；
失效模式。
2. 芯片剪切測(cè)試（Die Shear Test）
芯片剪切測(cè)試主要用于評(píng)價(jià)芯片與基板之間的結(jié)合強(qiáng)度。
測(cè)試時(shí)，通過(guò)推刀對(duì)芯片側(cè)面施加水平剪切力，使芯片與連接層發(fā)生分離，并記錄芯片脫離時(shí)所需的最大剪切力。
該測(cè)試可以用于分析：
芯片焊接質(zhì)量；
界面結(jié)合強(qiáng)度；
失效位置。
3. 焊點(diǎn)推力測(cè)試
焊點(diǎn)推力測(cè)試主要用于評(píng)價(jià)封裝內(nèi)部焊接連接區(qū)域的機(jī)械強(qiáng)度。
測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)推刀對(duì)焊點(diǎn)施加作用力，使焊點(diǎn)發(fā)生破壞。
通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)，可以分析：
焊接區(qū)域承載能力；
材料結(jié)合情況；
工藝穩(wěn)定性。
四、 IGBT封裝可靠性測(cè)試需要關(guān)注哪些指標(biāo)？
在進(jìn)行IGBT封裝可靠性測(cè)試時(shí)，并不是只關(guān)注最終破壞力值，還需要結(jié)合多個(gè)測(cè)試指標(biāo)綜合分析。
1. 最大破壞力
最大破壞力是評(píng)價(jià)封裝連接強(qiáng)度的重要參數(shù)。
它反映了鍵合線、芯片連接層或焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)能夠承受的最大外部作用力。通過(guò)不同批次樣品測(cè)試結(jié)果對(duì)比，可以判斷生產(chǎn)工藝的一致性。
2. 失效位置
相同的測(cè)試力值，不同的斷裂位置可能代表不同問(wèn)題。
例如：
鍵合線中部斷裂，可能與材料強(qiáng)度有關(guān)；
焊盤(pán)位置脫離，可能與鍵合工藝有關(guān)；
芯片界面分離，可能與焊接質(zhì)量有關(guān)。
3. 失效模式
除了力值數(shù)據(jù)，還需要觀察樣品破壞后的狀態(tài)。
通過(guò)失效模式分析，可以判斷：
是材料問(wèn)題；
工藝問(wèn)題；
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。
結(jié)合顯微觀察和測(cè)試數(shù)據(jù)，可以更加準(zhǔn)確定位失效原因。
4. 測(cè)試重復(fù)性
對(duì)于批量生產(chǎn)的功率器件而言，測(cè)試結(jié)果的一致性同樣重要。
穩(wěn)定的測(cè)試數(shù)據(jù)能夠反映：
封裝工藝穩(wěn)定程度；
產(chǎn)品批次一致性；
生產(chǎn)質(zhì)量控制水平。
在IGBT等功率器件長(zhǎng)期工作過(guò)程中，熱循環(huán)、機(jī)械應(yīng)力以及制造缺陷都可能導(dǎo)致封裝結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞、裂紋或連接失效，推拉力測(cè)試機(jī)通過(guò)對(duì)鍵合線、焊點(diǎn)以及芯片連接結(jié)構(gòu)施加可控的拉力或推力，獲取最大破壞力、失效位置以及破壞模式等數(shù)據(jù)，可用于分析功率半導(dǎo)體器件封裝質(zhì)量，為產(chǎn)品研發(fā)、工藝優(yōu)化和失效分析提供測(cè)試依據(jù)。
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