隨著新能源汽車、光伏儲能、工業(yè)控制、軌道交通等領(lǐng)域?qū)β势骷墓β拭芏取⒐ぷ鳒囟群烷L期可靠性要求不斷提高，IGBT功率模塊作為電能轉(zhuǎn)換與控制中的關(guān)鍵器件，其可靠性驗(yàn)證需求也不斷上漲。
IGBT模塊的可靠性不僅取決于IGBT芯片本身，也與芯片貼裝、鍵合互連、DBC基板以及焊接/燒結(jié)等封裝工藝密切相關(guān)。本文科準(zhǔn)測控小編基于Alpha-W260自動推拉力測試機(jī)的使用，圍繞IGBT是什么、IGBT功率模塊封裝結(jié)構(gòu)、常見封裝失效、IGBT推拉力測試項(xiàng)目及測試設(shè)備等方面，為大家詳細(xì)講解IGBT功率模塊機(jī)械可靠性測試方法。
一、IGBT是什么？
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），中文名稱為絕緣柵雙極型晶體管，是一種重要的功率半導(dǎo)體器件。具有輸入阻抗高、驅(qū)動功率較小、開關(guān)速度較快以及較強(qiáng)載流能力等特點(diǎn)，主要用于電能轉(zhuǎn)換、逆變及功率控制。
IGBT模塊通過將多個(gè)IGBT芯片、FRD芯片及相關(guān)互連結(jié)構(gòu)集成封裝，可應(yīng)用于新能源汽車電機(jī)驅(qū)動、光伏及儲能逆變器、工業(yè)變頻器、軌道交通充電樁、UPS電源、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。
二、IGBT功率模塊封裝結(jié)構(gòu)
IGBT功率模塊典型結(jié)構(gòu)主要包括：IGBT芯片 / FRD芯片、芯片焊接層或燒結(jié)層、DBC陶瓷覆銅基板、基板連接層、散熱底板。芯片頂部通常通過鋁線、銅線等鍵合結(jié)構(gòu)與電極、端子建立電氣連接。
傳統(tǒng)IGBT模塊常見鋁線鍵合及焊料連接，而為了提高功率密度和高溫可靠性，也在逐漸應(yīng)用銅線/銅帶互連、銀燒結(jié)等封裝技術(shù)。
三、IGBT功率模塊為什么會出現(xiàn)封裝失效？
IGBT工作過程中會不斷經(jīng)歷發(fā)熱和冷卻。
由于芯片、焊料/燒結(jié)層、銅層、陶瓷基板以及底板等不同材料的熱膨脹系數(shù)存在差異，長期溫度循環(huán)和功率循環(huán)會在不同材料界面產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力。
比較典型的機(jī)械失效包括：
1. 鍵合線脫落
鍵合線與芯片焊盤之間連接強(qiáng)度不足，在熱循環(huán)及長期工作過程中可能出現(xiàn)鍵合點(diǎn)松動、脫落等問題。
2. 芯片連接層失效
IGBT芯片通常通過焊接或燒結(jié)方式固定于DBC基板。若連接層存在空洞、工藝不穩(wěn)定或界面結(jié)合不足，可能影響芯片機(jī)械連接和散熱性能。
3. 焊接/燒結(jié)界面疲勞
長期功率循環(huán)會使連接界面反復(fù)承受熱機(jī)械應(yīng)力，可能逐漸形成裂紋、分層或局部脫離。
4. DBC及多材料界面分層
DBC陶瓷、銅層、連接層和底板等結(jié)構(gòu)之間也可能由于熱應(yīng)力出現(xiàn)界面損傷。
四、IGBT功率模塊常見推拉力測試
針對IGBT內(nèi)部不同封裝結(jié)構(gòu)，可以采用不同的機(jī)械強(qiáng)度測試方法。
1. IGBT芯片剪切測試（Die Shear）
芯片剪切主要用于評價(jià)IGBT芯片與DBC基板之間焊接層或燒結(jié)層的結(jié)合強(qiáng)度。
測試時(shí)，將IGBT模塊或DBC組件固定在測試平臺上，根據(jù)芯片尺寸選擇合適的剪切工具，并將工具下降至規(guī)定高度。
隨后沿接近芯片安裝平面的方向推動芯片，直至芯片發(fā)生脫離或連接界面失效，同時(shí)記錄最大剪切力。
通過測試不僅可以得到剪切力，還可以結(jié)合失效后的界面狀態(tài)判斷：芯片是否完整脫離、焊接/燒結(jié)層是否發(fā)生界面破壞、芯片是否破裂、基板表面是否存在殘留材料
2. IGBT鍵合線拉力測試（Wire Pull）
IGBT功率模塊內(nèi)部通常存在大量鍵合線，用于連接芯片頂部電極與DBC銅層或端子。
測試時(shí)，將拉鉤移動至鍵合線下方，然后按照規(guī)定速度向上加載，直至鍵合線或鍵合點(diǎn)發(fā)生斷裂。
通過測試可以獲得：鍵合線拉力、斷裂位置及失效模式。
常見失效位置包括鍵合線中部斷裂、第一/第二鍵合點(diǎn)附近斷裂以及鍵合點(diǎn)脫離等。
如果拉力值異常偏低或者失效位置集中出現(xiàn)在鍵合界面，則需要進(jìn)一步檢查鍵合壓力、超聲參數(shù)、鍵合時(shí)間及表面狀態(tài)等工藝因素。資料同樣指出，鋁線鍵合過程中，鍵合位置、力度、時(shí)間、設(shè)備參數(shù)及夾具設(shè)計(jì)等都會影響最終質(zhì)量。
3. 端子及其他連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測試
除了芯片和鍵合線外，IGBT模塊還包含功率端子、信號端子及其他機(jī)械連接結(jié)構(gòu)。
根據(jù)具體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，還可以進(jìn)行：
端子拉力、端子推力、連接件剪切以及其他封裝結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度測試。
具體測試方式需要根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、連接形式以及對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求確定。
五、IGBT推拉力測試設(shè)備
針對IGBT芯片、鍵合線及相關(guān)微小連接結(jié)構(gòu)測試，可采用科準(zhǔn)測控Alpha-W260自動推拉力測試機(jī)進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度檢測。
針對不同IGBT封裝結(jié)構(gòu)，可配置相應(yīng)的測試工裝，實(shí)現(xiàn)多種測試方式。
對于多芯片IGBT功率模塊，一個(gè)模塊內(nèi)部可能同時(shí)存在多個(gè)IGBT芯片、二極管以及大量鍵合線，因此測試點(diǎn)數(shù)量較多。
Alpha-W260可結(jié)合顯微視覺系統(tǒng)進(jìn)行測試位置定位，并針對陣列或多測試點(diǎn)樣品進(jìn)行自動化測試，減少人工逐點(diǎn)定位帶來的操作差異，同時(shí)記錄對應(yīng)測試數(shù)據(jù)。
對于IGBT模塊研發(fā)、封裝工藝驗(yàn)證以及質(zhì)量檢測，可以通過機(jī)械強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析芯片貼裝、焊接/燒結(jié)及鍵合工藝的穩(wěn)定性。
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