门级氧化层损坏引发的故障 - 利用功率循环测试以分析汽车IGBT芯片的材料性能

　　门级氧化层损坏而非封装键合线缺陷引发的故障

　　在我们的实验中，我们会继续功率循环，直到器件完全无法工作（短路或断路）。这就是我们的故障标准。在被测的四个 IGBT 器件中，有一个器件（样品 3）发生故障明显地早于其他器件，只经过 10，158 个功率循环（图 8）。这种过早发生故障的原因可能是在冷板中安装不当或其他随机错误。其他三个器件，即样品 0、1 和 2 显示出相似的行为，分别在经过 40，660、41，476 和 43，489 个循环后发生故障。

　　图 8：器件发生故障之前应用的功率循环数量。

　　在所有 IGBT 都发生故障之后，我们会拆解模块并检查芯片和封装键合线的状况。图 9 是其中一个芯片的照片，显示在测试期间有多条封装键合线断裂，芯片表面有一个区域发生烧灼，这可能是应用高电流时线路脱开形成的电弧造成的。

　　图 9：断裂封装键合线和烧灼芯片表面的照片。

　　尽管封装键合线出现明显的缺陷，但是中断的封装键合线并未造成器件故障。所有芯片的故障都是过热和门级氧化层损坏导致的。这些效应随后通过电气测试进行检查和跟踪：封装键合线破裂可通过 VCE（集电极-发射极）电压升高指示，门级氧化层损坏可造成 IG（门级漏电）升高。设计 IGBT 功率循环设备时，应当测量这些参数。

　　此外，还需要调查基板和底板之间的结点以及芯片粘接，以便了解过热来源，这是我们需要校准仿真模型的原因。图 10 显示了使用校准后的详细模型仿真加热期结束时，两个相邻 IGBT 的温度分布。相邻芯片之间的热耦合可以忽略不计；因此，可以单独地调查每个芯片。

　　图 10：3 秒钟之后一个半桥模块的仿真温度分布。

　　由于加热时间短，基板-底板连接的最大温升为 71 °C，但是芯片粘接温度升高超过 100 °C。这种结果表明，结构中最易受损的地方是芯片粘接材料。

　　定期测量的热瞬态值允许我们根据应用的不同功率循环次数生成结构函数。图 11 显示产生的功率循环对每 5，000 个循环对应的结构函数的影响。在第一个电容阶跃之后，平坦区域对应于芯片粘接材料。结构在 17，000 个循环之前保持稳定；但是，在此之后，芯片粘接材料明显发生降级，并且其阻抗连续升高直至器件发生故障。

　　图 11：样品 0 对应于不同时间点的控制测量结果的结构函数。

　　如图 12 中所示，读取的芯片粘接层热阻除以系统的初始结-环境阻抗，并绘制为功率循环的函数。此计算可确认该层在 15，000 个循环之后迅速开始降级。热路径的变化极其显著，因为芯片粘接材料发生了极大的变化，在后一个结构元件中无法调查。但是，后一部分中的降级也可合理预测，只不过它们与芯片粘接材料的问题相比可忽略不计。

　　图 12：初始状态下的芯片粘接层热阻与结-环境热阻对比。

　　大约 20，000 个循环后，芯片粘接层的降级影响变得很明显，在大约 10，000 个循环内，样品的结-环境总热阻由于循环而倍增。在 30，000 个循环后，我们无法确定芯片粘接层的热阻，因为热扩散路径发生了变化。