隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為現(xiàn)代功率電子系統(tǒng)的核心器件，已廣泛應(yīng)用于新能源發(fā)電、電動汽車、工業(yè)變頻等領(lǐng)域。然而，IGBT器件在復(fù)雜工況下的可靠性問題日益突出，其失效不僅會導(dǎo)致設(shè)備停機，還可能引發(fā)嚴重的安全事故。
本文科準測控小編將詳細介紹IGBT模塊失效分析的原理、測試標準、儀器配置及操作流程，為行業(yè)同仁提供技術(shù)參考，助力提升功率器件的可靠性設(shè)計與故障診斷水平。
一、IGBT失效分析原理
1、 IGBT典型失效機理
IGBT器件的失效主要可分為以下幾類：
鍵合線失效：包括鍵合線脫落、斷裂、頸部斷裂等，主要由熱機械應(yīng)力引起
焊接層失效：芯片與DBC基板間的焊接層空洞、剝離、熱疲勞裂紋
柵極結(jié)構(gòu)失效：柵氧層擊穿、柵極金屬遷移
芯片本體失效：閂鎖效應(yīng)、熱擊穿、宇宙射線引發(fā)的單粒子燒毀
2、推拉力測試原理
推拉力測試通過施加精確控制的機械力來評估器件內(nèi)部互連結(jié)構(gòu)的機械強度：
拉力測試：垂直方向施加拉力，評估鍵合線與芯片/引線框架間的結(jié)合強度
推力測試：水平方向施加推力，評估芯片與基板間焊接層的抗剪切能力
失效判據(jù)為界面分離時的臨界力值，該力值與材料特性、工藝質(zhì)量直接相關(guān)。
二、測試標準
1、 國際通用標準
MIL-STD-883 Method 2011：微電子器件鍵合強度測試方法
JESD22-B116：wire bond shear test標準
IPC-9701：表面安裝器件機械性能測試
IEC 60749-19：半導(dǎo)體器件機械和氣候試驗方法
2、行業(yè)通用參數(shù)
三、檢測設(shè)備
1、Alpha W260推拉力測試機
Alpha W260推拉力測試機是專為微電子封裝可靠性測試設(shè)計的高精度設(shè)備，特別適合紅外探測器芯片的測試需求：
1、設(shè)備特點
高精度：全量程采用自主研發(fā)的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，確保測試數(shù)據(jù)的準確性。
功能性：支持多種測試模式，如晶片推力測試、金球推力測試、金線拉力測試以及剪切力測試等。
操作便捷：配備專用軟件，操作簡單，支持多種數(shù)據(jù)輸出格式，能夠wan美匹配工廠的SPC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
2、多功能測試能力
支持拉力/剪切/推力測試
模塊化設(shè)計靈活配置
3、智能化操作
自動數(shù)據(jù)采集
SPC統(tǒng)計分析
一鍵報告生成
4、安全可靠設(shè)計
獨立安全限位
自動模組識別
防誤撞保護
5、夾具系統(tǒng)
多種規(guī)格的剪切工具（適用于不同尺寸焊球）
鉤型拉力夾具
定制化夾具解決方案
四、IGBT失效分析流程
步驟一、前期準備
1、樣品信息收集
器件型號、批次信息
失效現(xiàn)象描述(電參數(shù)異常、外觀異常等)
使用歷史(工作時間、環(huán)境條件等)
2、無損檢測
X-ray檢測焊接層空洞
超聲波掃描內(nèi)部結(jié)構(gòu)
紅外熱像儀定位熱點
步驟二、推拉力測試流程
1、樣品固定
使用專用夾具固定DBC基板
確保測試平面與施力方向平行
顯微鏡下確認測試位置
2、參數(shù)設(shè)置
根據(jù)鍵合線直徑設(shè)置測試速度(通常0.1-0.5mm/s)
設(shè)置觸發(fā)力為預(yù)期失效力的10%
定義數(shù)據(jù)采集頻率(建議≥500Hz)
3、執(zhí)行測試
自動模式：程序控制完成系列測試點
手動模式：單點精細操作(適用于失效定位)
4、數(shù)據(jù)分析
提取最大力值、失效位移等關(guān)鍵參數(shù)
分析力-位移曲線特征(脆性/韌性失效)
統(tǒng)計同一批次器件的強度分布
5、失效定位
光學(xué)顯微鏡觀察失效界面形貌
SEM/EDS分析界面成分變化
FIB制備截面樣品觀察微觀結(jié)構(gòu)
步驟三、典型失效模式判斷
1、鍵合線頸部斷裂
力值約為正常值的30-50%
斷裂面位于鍵合球頸部
通常與工藝參數(shù)不當(dāng)有關(guān)
2、界面剝離失效
力值突然下降至接近零
殘留物主要在一側(cè)界面
表明界面污染或氧化
3、焊接層疲勞
力值呈階梯式下降
剪切面可見明顯裂紋擴展痕跡
與溫度循環(huán)應(yīng)力相關(guān)
五、案例應(yīng)用
某車載IGBT模塊批量失效分析：
現(xiàn)象：工作3000小時后出現(xiàn)導(dǎo)通電阻異常增大
分析過程：
W260測試顯示芯片焊接層剪切力下降40%
力-位移曲線呈現(xiàn)典型疲勞特征
截面分析發(fā)現(xiàn)焊料層存在Kirkendall空洞
根本原因：焊料合金比例偏差導(dǎo)致高溫下擴散不均
改進措施：優(yōu)化焊料成分，增加擴散阻擋層
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