摘 要
隨著我國(guó)武器裝備系統(tǒng)復(fù)雜性提升和功率等級(jí)提升，對(duì)IGBT模塊的需求劇增，IGBT可靠性直接影響裝備系統(tǒng)的可靠性。選取同一封裝不同材料陶瓷基板的IGBT模塊，分別進(jìn)行了溫度循環(huán)試驗(yàn)和介質(zhì)耐電壓試驗(yàn)，對(duì)比4種IGBT模塊的可靠性差異。結(jié)果表明，氮化硅陶瓷基板封裝模塊溫度循環(huán)壽命和絕緣性能優(yōu)于其他材料的陶瓷基板，1 000次循環(huán)后介質(zhì)耐壓和外觀檢驗(yàn)結(jié)果合格，DBC基板陶瓷層幾何參數(shù)與材料是影響可靠性的關(guān)鍵因素。
0 引言
IGBT（Insulated Gate Bipolar Translator，絕緣柵門(mén)極晶體管）是一種新型功率半導(dǎo)體器件，集BJT（Bipolar Junction Transistor，雙極結(jié)晶體管）和MOSFET（Metal-Oxide -Semiconductor Field EffectTransistor，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）的優(yōu)點(diǎn)于一體，具有高電壓、大電流、輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、通斷速度快等優(yōu)點(diǎn)，在導(dǎo)彈伺服電機(jī)控制系統(tǒng)、激光武器、殲擊機(jī)飛控系統(tǒng)等方面應(yīng)用需求及其旺盛，其可靠性在很大程度上決定了整個(gè)裝置的可靠性。隨著IGBT的工作電壓、電流的增加和芯片尺寸不斷減小，芯片功率密度急劇增加，散熱和可靠性是必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。陶瓷基板是IGBT模塊使用最廣泛的關(guān)鍵材料，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性、耐熱性、絕緣性、低膨脹系數(shù)，適用于鋁絲鍵合。陶瓷覆銅基板由金屬線路層和陶瓷層組成，由于陶瓷和金屬之間存在較大的熱膨脹差異，使用過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)造成基板開(kāi)裂失效[3]。裂紋通常發(fā)生在材料的應(yīng)力集中或高應(yīng)變區(qū)域，當(dāng)經(jīng)歷足夠多的循環(huán)次數(shù)之后，裂紋在材料的應(yīng)力集中或高應(yīng)變處萌生，在循環(huán)荷載的進(jìn)一步作用下，裂紋發(fā)生擴(kuò)展，直至材料完全斷裂。因此，對(duì)陶瓷基板耐熱循環(huán)可靠性研究具有重要意義。
1 陶瓷基板材料現(xiàn)狀
IGBT模塊DBC（Direct Bonding Copper，陶瓷覆銅板）材料主要有三種，分別是氧化鋁陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板和氮化硅陶瓷基板[4]，表1列出了三種基板材料的性能。
Al2O3是最為常用的材料，具有絕緣性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、力學(xué)性能好的特點(diǎn)，工藝相對(duì)成熟，成本較低，但Al2O3導(dǎo)熱系數(shù)低，熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體芯片（Si一般為2.8×10-6·K-1）的熱膨脹系數(shù)不太匹配，適用于中、低功率IGBT模塊。
AlN熱導(dǎo)率高，約為Al2O3的6倍，熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體芯片較為匹配，但在其表面直接覆銅的難度較大，成本約為Al2O3的4倍，AlN在較高溫度和較大濕度下可能會(huì)分解為水合氧化鋁，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性都相對(duì)較低，導(dǎo)致焊接后在熱循環(huán)過(guò)程中易于開(kāi)裂，影響整個(gè)功率模塊的可靠性，適合大功率IGBT模塊。
Si3N4的熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體芯片最為匹配，機(jī)械性能是Al2O3和AlN的2倍以上，熱導(dǎo)率是Al2O3的2.5倍以上，高溫輕度高，抗熱震性?xún)?yōu)良，成本約為Al2O3的2.5倍，對(duì)于大功率IGBT模塊，氮化硅是目前最優(yōu)的材料。
2 溫度循環(huán)試驗(yàn)
650 V/200 A IGBT模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。
為確保IGBT通過(guò)JM2級(jí)考核要求，需要對(duì)IGBT的可靠性進(jìn)行評(píng)估，目前普遍采用的方法是溫度循環(huán)試驗(yàn)]。通過(guò)溫度沖擊試驗(yàn)箱對(duì)IGBT 進(jìn)行整體加熱和冷卻，使整個(gè)模塊產(chǎn)生溫度變化。按照GJB128A《半導(dǎo)體分立器件試驗(yàn)方法》的要求，溫度范圍-55~150 ℃，轉(zhuǎn)移時(shí)間不超過(guò)1 min，保持時(shí)間不應(yīng)少于10 min。IEC60749-25《半導(dǎo)體器件 機(jī)械和氣候變?cè)囼?yàn) 第25部分：溫度循環(huán)》中要求保持時(shí)間應(yīng)≥15 min。因此，溫度循環(huán)試驗(yàn)保持時(shí)間加嚴(yán)至30 min，用于驗(yàn)證陶瓷基板的可靠性。
2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/strong>
確定IGBT忍耐極限高溫與極限低溫等能力及交替暴露到這種極限溫度下，不同陶瓷基板對(duì)IGBT絕緣耐壓能力的影響，以及IGBT在惡劣使用及貯存條件下隨著時(shí)間呈現(xiàn)出相應(yīng)的失效現(xiàn)象。試驗(yàn)儀器為溫度沖擊試驗(yàn)箱，如圖2所示。
2.2 試驗(yàn)條件
試驗(yàn)前確認(rèn)設(shè)備溫箱在校準(zhǔn)有效期內(nèi)，以保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性。模塊的放置應(yīng)滿足不阻礙試驗(yàn)腔體內(nèi)空氣的流動(dòng)。試驗(yàn)溫度條件為-55～150 ℃，保持時(shí)間30 min，共計(jì)1 000次循環(huán)，其中熱區(qū)與冷區(qū)之間的轉(zhuǎn)移時(shí)間不應(yīng)該超過(guò)1 min。試驗(yàn)結(jié)束后，絕緣耐壓測(cè)試應(yīng)該在8 h以?xún)?nèi)進(jìn)行方可有效。
2.3 失效機(jī)制
陶瓷基板為銅-陶瓷-銅組成的雙材料三層結(jié)合結(jié)構(gòu)，在溫度循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)基板整體均勻地受到隨時(shí)間變化的溫度載荷時(shí)，由于銅和陶瓷熱膨脹系數(shù)不匹配以及變形約束的存在而導(dǎo)致界面出現(xiàn)應(yīng)力集中，尤其是在界面的幾何突變處（通常稱(chēng)之為奇異點(diǎn)）。當(dāng)外部溫度載荷150 ℃時(shí)陶瓷基板上銅層將發(fā)生塑形變形，在溫度循環(huán)過(guò)程中銅層的塑性變形積累較大，銅層-陶瓷界面的幾何突變處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中；由于界面端處的應(yīng)力奇異性較弱，當(dāng)界面處出現(xiàn)應(yīng)力集中時(shí)，結(jié)合材料的破壞將從應(yīng)力集中地位置開(kāi)始，從而萌生裂紋。同時(shí)陶瓷基板在制造過(guò)程中經(jīng)歷上1 066 ℃到室溫的較大差異，基板存在一定殘余應(yīng)力，這將導(dǎo)致裂紋萌生后偏離原裂紋方向而向陶瓷母材中擴(kuò)展，發(fā)生破壞；此外，陶瓷通過(guò)粉末燒結(jié)而成，存在極微小的裂紋或空洞等固有缺陷，這些固有缺陷也會(huì)作為陶瓷母材的薄弱處而誘使裂紋超缺陷方向擴(kuò)展。裂紋在擴(kuò)展一定長(zhǎng)度后沿平行于界面的方向繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致基板完全斷裂。具體的失效模式如圖3所示，即銅層邊緣或幾何突變處萌生裂紋，裂紋向陶瓷層中擴(kuò)展而最終導(dǎo)致陶瓷層斷裂。
采用AlN、Si3N4、Al2O3摻9%鋯、Al2O3四種陶瓷基板共20只IGBT模塊進(jìn)行500次（JM2級(jí)）、1 000次（JM3級(jí)）溫度循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)前對(duì)模塊進(jìn)行絕緣耐壓測(cè)試，第100次進(jìn)行絕緣耐壓測(cè)試，100次后每間隔50次進(jìn)行絕緣耐壓測(cè)試，直至1 000次為止，試驗(yàn)?zāi)K實(shí)物如圖3所示。
AlN基板在第200次出現(xiàn)1只模塊絕緣耐壓不合格，第250次有2只模塊絕緣耐壓不合格，第300次又有2只模塊絕緣耐壓不合格，至此5只模塊絕緣耐壓均不合格。第500次出現(xiàn)3只Al2O3模塊絕緣耐壓不合格。Si3N4、Al2O3（摻9%鋯）陶瓷基板1 000次溫度循環(huán)后絕緣耐壓全部合格，陶瓷基板的漏電流變化如圖4～圖7所示，圖8、圖9分別為AlN、Al2O3基板放電情況。證明了陶瓷基板裂紋擴(kuò)展理論分析的合理性，AlN的可靠性不如Si3N4、Al2O3的，Al2O3的可靠性不如Si3N4的。
3 仿真
以650 V/200 A IGBT模塊為研究對(duì)象，使用ANSYS有限元對(duì)不同陶瓷基板的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，對(duì)比不同基板的熱阻，提供最佳導(dǎo)熱方案。
如圖10所示，在功率和換熱條件相同的情況下，使用Al2O3的IGBT模塊穩(wěn)態(tài)工作的最高溫度125.39 ℃，對(duì)應(yīng)底部溫度為103.00 ℃，熱阻為0.022 ℃/W。FRD芯片穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的最高溫度89.95 ℃，對(duì)應(yīng)底部溫度為65.21 ℃，熱阻為0.049 ℃/W。
如圖11所示，在功率和換熱條件相同的情況下，使用Si3N4的IGBT模塊穩(wěn)態(tài)工作的最高溫度117.75 ℃，對(duì)應(yīng)底部溫度為104.74 ℃，熱阻為0.013 ℃/W。FRD芯片穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的最高溫度82.08 ℃，對(duì)應(yīng)底部溫度為64.65 ℃，熱阻為0.036 ℃/W。
如圖12所示，在功率和換熱條件相同的情況下，使用AlN的IGBT模塊穩(wěn)態(tài)工作的最高溫度116.76 ℃，對(duì)應(yīng)底部溫度為101.10 ℃，熱阻為0.015 ℃/W。FRD芯片穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的最高溫度80.93 ℃，對(duì)應(yīng)底部溫度為63.82 ℃，熱阻為0.034 ℃/W。
表2給出不同陶瓷材料的IGBT結(jié)構(gòu)和熱阻的對(duì)比，可以看到AlN和Si3N4的熱阻相當(dāng)，Al2O3的導(dǎo)熱性能相對(duì)較差、熱阻值較高。
4 結(jié)論
本文選用650 V/200 A IGBT模塊進(jìn)行了溫度循環(huán)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到結(jié)論：
1）陶瓷基板的失效在溫度循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)在基板棱邊處靠近釬焊界面的陶瓷一側(cè)。
2）考慮實(shí)際加工氮化鋁基板比氮化硅基板厚一倍，應(yīng)用ANSYS有限元建立不同DBC熱阻的模型，計(jì)算結(jié)果表明氮化鋁基板熱阻與氮化硅基板一致。
3）氮化硅陶瓷覆銅板性能最優(yōu)，高可靠IGBT模塊應(yīng)采用氮化硅作為基板材料。
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