一、封裝結(jié)構(gòu)

為解決高功率密度下 IGBT 功率模塊散熱問(wèn)題，1993 年日本富士公司提出 u-stack 封裝，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，形成了彈簧式和直接接觸式兩種壓接封裝。直接壓接封裝是通過(guò)兩個(gè)鉬片將芯片的發(fā)射極和集電極引出，柵極通過(guò)一個(gè)小探針引 出。因此，直接壓接封裝具有雙面散熱通道，但由于各部件間均為剛性連接，結(jié)構(gòu)和材料更易疲勞。彈簧壓接封裝則是通過(guò)蝶形彈簧和柵極連接板將發(fā)射極和柵極引出。這種封裝減少了柵射極的熱通路截面積，因此散熱能力比直接壓接型封裝弱，而由于彈簧的存在，壓力均衡性更優(yōu)，材料不易受損。

與焊接型封裝相比，壓接型封裝具有寄生電感低和失效短路的優(yōu)點(diǎn)，但由于循環(huán)熱應(yīng)力和多層結(jié)構(gòu) CTE 不匹配，會(huì)產(chǎn)生微動(dòng)磨損失效、接觸面燒蝕失效、彈簧失效和柵極氧化層失效現(xiàn)象。對(duì)于多芯片集聯(lián)的 IGBT 功率模塊，各個(gè) IGBT 功率模塊所處的熱、機(jī)械和電磁環(huán)境差異性會(huì)導(dǎo)致模塊內(nèi)部熱和電流分布不均衡，從而使橫向結(jié)構(gòu)中一些位置更容易失效。

二、 壓接 IGBT 功率模塊封裝失效機(jī)理

1、微動(dòng)磨損失效

壓接封裝的電氣連接主要依靠連接層之間的壓力，因此在熱應(yīng)力作用下，各層出現(xiàn)水平摩擦現(xiàn)象，導(dǎo)致接觸面粗糙度增大，引發(fā)電阻和熱阻增大，使得溫度梯度增大加重摩擦，形成正反饋循環(huán)。長(zhǎng)期處于這種情況下，會(huì)導(dǎo)致壓接封裝接觸脫離，造成器件失效。

2、接觸面燒蝕失效

燒蝕是指由于芯片微小電弧所導(dǎo)致的材料表面出現(xiàn)消融損傷的現(xiàn)象。在壓接封裝中產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，界面間出現(xiàn)不良接觸，導(dǎo)致電場(chǎng)分布不均衡，引起局部放電。

3、彈簧失效

對(duì)于彈簧壓接封裝，彈簧會(huì)隨使用時(shí)長(zhǎng)的增加產(chǎn)生疲勞、應(yīng)力松弛和磨損的現(xiàn)象。常見(jiàn)的彈簧失效是柵極接觸彈簧發(fā)生應(yīng)力松弛，從而使得柵極探針與芯片接觸失良，造成電阻和熱阻增大，發(fā)生失效。

4、柵氧化層失效

無(wú)論何種封裝，IGBT 芯片柵極表面都存在氧化層。由于封裝過(guò)程中的壓力不均衡或是在功率循環(huán)往復(fù)過(guò)程中熱應(yīng)力的作用，致使探針或鉬片擠壓柵氧化層而使之損傷。柵氧化層發(fā)生損傷后，柵射電阻下降，漏電流上升，導(dǎo)通壓降上升，芯片產(chǎn)熱進(jìn)一步加劇，熱應(yīng)力加大，形成正向循。

5、多芯片封裝失效

當(dāng)壓接封裝出現(xiàn)短路時(shí)，芯片表面的 Al 層會(huì)在高溫高壓下與 Si 形成鋁硅合金并開始與之前的材料互 融。此 時(shí)，IGBT 功率模塊導(dǎo)通不受柵極控制。因此，在冗余設(shè)計(jì)中，壓接封裝更適合串聯(lián)連接。為實(shí)現(xiàn)大功率場(chǎng)合下應(yīng)用，多采用串聯(lián)集成封裝。此時(shí)需要嚴(yán)格控制每單個(gè)芯片的厚度工差，使其壓力分布均勻。由于集膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)，在邊緣和角落的 IGBT 功率模塊會(huì)承受更大的電流。且模塊部分角落的芯片溫度高于中心芯片的溫度。這種情況的存在會(huì)使得封裝基板發(fā)生翹曲，增加熱阻，加劇失效。在串聯(lián)情況下，某一芯片的失效，需要其他未失效芯片承受更大的電壓和電流，使得整個(gè)模塊更易失效。