熱傳導(dǎo)路徑的退化是功率半導(dǎo)體封裝最常見的失效機(jī)理之一。通常情況下，在界面接觸區(qū)域，由于構(gòu)成散熱路徑的不同材料之間的熱膨脹系數(shù)不同，因而會(huì)產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力，從而引發(fā)焊接疲勞并導(dǎo)致裂縫。使用Simcenter Micred T3STER硬件進(jìn)行瞬態(tài)熱測試，是對(duì)功率半導(dǎo)體封裝中的熱傳導(dǎo)路徑進(jìn)行界定的一種常用方法。

正文

此類測試中的熱流路徑可表示為一個(gè)等效的電阻-電容Cauer類型的模型。Simcenter Micred T3STER使用瞬態(tài)熱阻抗曲線并借助結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線作為一種無損評(píng)估技術(shù)，來檢測熱傳導(dǎo)路徑中的結(jié)構(gòu)缺陷。在本工作中，一個(gè)傳統(tǒng)的1200V/200A絕緣柵雙極晶體管IGBT)功率模塊的基底-基板的焊接層通過主動(dòng)的功率循環(huán)測試發(fā)生了退化，結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線上的結(jié)-殼熱阻Rthjc和裂縫面積與通過掃描聲學(xué)顯微鏡(SAM)估算的裂縫和未連接面積進(jìn)行比較。在功率循環(huán)測試中的多個(gè)階段每隔一定間隔去執(zhí)行SAM成像，以觀(察焊接層的逐漸退化。被測功率模塊（參見圖1）是一個(gè)現(xiàn)貨的3相IGBT模塊，包含3個(gè)安裝在銅基板上的基底片，每個(gè)基底片上有2個(gè)IGBT芯片和2個(gè)獨(dú)立的二極管1。

圖 1.功率循環(huán)測試中所用的被測功率模塊（左側(cè)）與Simcenter Micred Power Tester設(shè)備（包含Simcenter Micred T3STER）（右側(cè)）的布局

該IGBT模塊安裝在冷板上，并采用25μm厚的Kapton薄膜作為冷板與基板之間的界面材料。此薄膜的用途是增加殼-環(huán)境熱阻，以便在基底-殼的界面實(shí)現(xiàn)溫度擺動(dòng)，相比其它的失效機(jī)理，這樣可以加速基底安裝下面的焊接層退化。所有的IGBT均施加門極-發(fā)射極電壓VGE=15V的偏壓，以便在模塊的三個(gè)分支之間共用循環(huán)電流IC以及測量電流IM。集電極-發(fā)射極電壓VCE是整個(gè)模塊的全局測量值，它代表三個(gè)分支的“平均”測量值。在恒定的測試電流IM=200mA下，使用校準(zhǔn)曲線TJ=f(VCE)來計(jì)算結(jié)溫TJ。循環(huán)電流IC通過Simcenter Micred Power Tester硬件進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保持恒定的ΔTJ=120K；此時(shí)，根據(jù)VCE估算得出TJmax=140°C，TJmin=20°C，將水溫保持在20°C，加熱時(shí)間和冷卻時(shí)間分別固定為50秒和60秒。這樣在基底獲得了70K的ΔT，此時(shí)Tmax=90°C，Tmin=20°C。

功率循環(huán)測試啟動(dòng)時(shí)初始循環(huán)電流IC=236A該電流產(chǎn)生PD=704W的功耗。在測試期間，由于焊接疲勞的原因，熱阻逐漸增大，通過調(diào)節(jié)循環(huán)電流來保持恒定的ΔTJ。在上述條件下，焊線掉落并非主要機(jī)理，基底安裝下面的焊接層在發(fā)現(xiàn)任何焊線掉落之前發(fā)生的退化被觀察到。每隔1000個(gè)循環(huán)定期暫停功率循環(huán)測試，此時(shí)通過Simcenter Micred Power Tester對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行瞬態(tài)熱測試。測試期間，共計(jì)獲得17個(gè)瞬態(tài)熱測試測量值。

使用PVA TePla AM300設(shè)備，在功率循環(huán)測試期間執(zhí)行SAM特征化描述。掃描聲學(xué)顯微鏡是一種無損技術(shù)，允許我們對(duì)樣品的內(nèi)部特征成像，并檢測到亞微米厚度的不連續(xù)和空洞。它通過反射的超聲回波生成2D灰度影像。任何內(nèi)部材料層的缺陷都會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不連續(xù)并阻斷超聲信號(hào)，使其無法穿過缺陷區(qū)域以下的層。

圖 2.在功率循環(huán)測試期間，不同循環(huán)次數(shù)下的掃描聲學(xué)顯微鏡(SAM)影像。

因此，基底焊接層中的缺陷會(huì)導(dǎo)致從芯片級(jí)獲取的C-Scan影像中出現(xiàn)黑色陰影（圖2）。通過這種方法，使用C-Scan影像獲取連接區(qū)域與不連續(xù)區(qū)域之間清晰的界限。但是，SAM影像可能無法明確指示結(jié)構(gòu)內(nèi)確切的缺陷位置，因此有必要進(jìn)行相關(guān)的合金層切片分析。功率循環(huán)測試在17700個(gè)循環(huán)后終止，至此，結(jié)-環(huán)境總熱阻Rthja相比其原始值增大了14%。經(jīng)檢查，所有IGBT器件仍保持正常的電氣功能。完成最終的SAM觀測后，進(jìn)行合金層切片分析，并在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行檢查，以確認(rèn)退化模式。

在進(jìn)行功率循環(huán)之前，對(duì)初始狀態(tài)下的IGBT模塊成像。在此階段，內(nèi)部層中未觀察到任何裂縫或空洞（圖2）。在9100、10450、13350和15500個(gè)循環(huán)后分別中斷功率循環(huán)測試，以便進(jìn)行SAM成像。在17700個(gè)循環(huán)后，測試終止并執(zhí)行最終掃描。連接面積的百分比計(jì)算公式為：連接面積(%)=白色像素?cái)?shù)量/像素總數(shù)。圖3顯示了循環(huán)測試期間不同循環(huán)數(shù)對(duì)應(yīng)的焊接層連接面積估算值。在零循環(huán)，連接面積的估算值為93%。這是因?yàn)樘幚?a target="_blank">算法將不同基底之間和銅跡線之間的隔離線以及與引線鍵合覆蓋區(qū)域識(shí)別為黑色（裂縫）像素。無論如何，此特征不會(huì)影響觀測到的趨勢，因?yàn)樗谄溆嗟膱D像中保持不變。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，裂縫在焊接層中傳播，導(dǎo)致連接面積逐漸減少，直到17700個(gè)循環(huán)后降至43%。

圖4顯示了結(jié)構(gòu)函數(shù)隨循環(huán)數(shù)的增加而發(fā)生的變化。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，曲線沿X軸向右移動(dòng)，因此這一變化表現(xiàn)為熱阻不斷增大。該變化始于基板區(qū)與基底之間的界面，在這里可以辨識(shí)到沿X軸方向的膨脹。然而，單憑這張圖很難斷定焊接界面區(qū)域出現(xiàn)裂縫的確切位置。

圖 3.在循環(huán)測試期間通過SAM影像獲得的焊接層連接面積估算值。

圖 4.Simcenter Micred T3STER積分結(jié)構(gòu)函數(shù)顯示了隨著循環(huán)數(shù)增加不同材料層的熱量累計(jì)。

圖 5.結(jié)殼熱阻Rthjc在功率循環(huán)期間由于焊接疲勞而發(fā)生的變化及其與該層橫截面連接面積的關(guān)系。

通過結(jié)構(gòu)函數(shù)可以測量到基板區(qū)結(jié)束和Kapton薄膜區(qū)域開始前的結(jié)殼熱阻Rthjc。圖5顯示了Rthjc作為循環(huán)次數(shù)函數(shù)的Rthjc。可以看到，Rthjc在8000個(gè)循環(huán)前保持不變，自此之后，才開始逐漸增大，直至測試結(jié)束。Rthjc相對(duì)其原始值，據(jù)估算約為0.024°K/W，總增量約為70%。此增量源于基底-基板界面的焊料裂縫，圖6所示的合金層切片分析結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。

圖 6.合金層切片影像顯示了基底-基板界面因功率循環(huán)而產(chǎn)生的裂縫。

圖5還顯示了在7000、9000、11000、15000和17000個(gè)循環(huán)時(shí)測得的Rthjc值，并標(biāo)繪為相對(duì)圖2中的SAM影像所估算的連接面積百分比的函數(shù)。可以看到，隨著連接面積的減少，熱阻快速增加。在圖5中還應(yīng)注意到，結(jié)構(gòu)函數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷的靈敏度依賴于半導(dǎo)體芯片與缺陷的相對(duì)位置。也就是說，其對(duì)位于芯片正下方的缺陷具有較高的靈敏度，因?yàn)槿毕輰?duì)芯片具有直接的熱影響，而遠(yuǎn)離芯片的缺陷將導(dǎo)致對(duì)該缺陷的結(jié)構(gòu)函數(shù)具有較低的靈敏度。這也是結(jié)構(gòu)函數(shù)在基底-殼焊接層的裂縫達(dá)到35%之前沒有顯示任何變化的原因。焊料的裂縫始于基底的邊角位置，最初對(duì)半導(dǎo)體芯片到散熱器的散熱路徑影響很小。隨著裂縫不斷向基底中央擴(kuò)展，熱流路徑受到阻礙，這時(shí)結(jié)構(gòu)函數(shù)才開始顯示缺陷的存在。

圖 7.功率循環(huán)測試期間的Simcenter Micred T3STER微分結(jié)構(gòu)函數(shù)。不同的峰值指示不同的層（如圖所示）。

圖7顯示了Simcenter Micred Power Tester 7000個(gè)循環(huán)到15000個(gè)循環(huán)之間的T3Ster微分結(jié)構(gòu)函數(shù)K(RΣ)。此繪圖中的每個(gè)峰值表示一個(gè)具有不同橫截面積的新材料層。峰值幅度的減小表示與該峰值相關(guān)的層的橫截面積減小。峰值位置沿X軸的偏移指示了該層熱阻的變化。因此，可以確定各個(gè)層的熱阻。此外，如果材料屬性已知，還可以確定厚度。最明顯的峰值是峰值3，它與基板層相關(guān)。其他峰值顯示與熱量流經(jīng)的不同材料相關(guān)。最明顯的變化可以從峰值2和3被觀察到，它們一直在減小。另一方面，峰值1和4幾乎保持恒定的幅度。幅度減小表示DBC基底與基板之間的分界處的焊接層橫截面積減小。與此伴隨的是焊接層熱阻的增大，峰值2和峰值3沿X軸正向的位置偏移表明了這一點(diǎn)。

可以標(biāo)繪Simcenter Micred Power Tester微分結(jié)構(gòu)函數(shù)（圖7）中的峰值3（即殼）的K值與循環(huán)數(shù)之間的關(guān)系，如圖8所示。隨著功率循環(huán)數(shù)的增加，該K值明顯減小，這表示橫截面積減小。為了揭示這兩個(gè)數(shù)值之間的關(guān)系，我們將之前通過SAM影像估算的橫截面積與Simcenter Micred Power Tester微分結(jié)構(gòu)函數(shù)給出的K值進(jìn)行了比較。二者之間的關(guān)系如圖9所示，不難看出，K值與橫截面積的平方呈線性關(guān)系。這與我們已經(jīng)求出的理論關(guān)系1相一致，也是本研究的一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)。

圖 8.殼區(qū)域的K值在功率循環(huán)測試過程中表現(xiàn)了穩(wěn)定的下降，表明橫截面積持續(xù)減小。

圖 9.微分結(jié)構(gòu)函數(shù)在基板區(qū)給出的K值 – 它與焊接層橫截面積分?jǐn)?shù)的平方具有線性相關(guān)性。

現(xiàn)在，我們來看一下被測模塊中的各個(gè)IGBT，所有IGBT在經(jīng)過17700次功率循環(huán)測試后仍可正常工作。測試至此，SAM影像顯示，各個(gè)IGBT器件下面均存在不同程度的不連續(xù)。因此，進(jìn)行了一項(xiàng)研究，以檢查除整體模塊之外，在各個(gè)IGBT芯片的結(jié)構(gòu)函數(shù)中能否觀察到熱流路徑的這種不均勻性。在此研究中，使用導(dǎo)熱膏作為界面材料，取代功率循環(huán)測試期間所用的Kapton薄膜。然后分別測量模塊中的各個(gè)IGBT的局部熱阻抗，并計(jì)算結(jié)構(gòu)函數(shù)。根據(jù)17700個(gè)循環(huán)后的SAM影像估算各個(gè)IGBT下面的連接面積，這些面積如圖10所示。將IGBT器件分別編號(hào)為1到6，并對(duì)每個(gè)IGBT下面的面積進(jìn)行裁切，以使用一種MatLab方法1來計(jì)算連接面積。

圖 10.經(jīng)過功率循環(huán)的模塊在17700個(gè)循環(huán)時(shí)的SAM影像顯示，6個(gè)IGBT器件均存在不同程度的分層。

圖 11.17700個(gè)循環(huán)后的IGBT器件的局部連接面積百分比以及各個(gè)IGBT器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)。

每個(gè)器件下面的連接面積百分比估算值如圖11所示，值從低到高依次為器件4、器件2、器件3、器件5、器件6，最后是器件1。圖11還顯示了各個(gè)IGBT的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)。由于每個(gè)IGBT下面的基底與基板界面區(qū)域存在不同程度的不連續(xù)，導(dǎo)致這些曲線之間存在很大的差異。在與器件1和器件6相關(guān)的曲線上，可以輕易地識(shí)別出不同的熱層，因?yàn)樗鼈兪芎附悠诘挠绊懽钚　ｋS著其他器件中的局部分層程度不斷增加，結(jié)構(gòu)中不同層的特征開始逐漸消失。器件4受裂縫的影響最大，并且無法區(qū)分其不同層的特征。因此，我們斷定，可以將結(jié)點(diǎn)-環(huán)境熱阻Rthja直接與各個(gè)IGBT下面的連接面積百分比進(jìn)行比較。

圖 12.17700個(gè)循環(huán)后的各個(gè)IGBT的結(jié)點(diǎn)-環(huán)境熱阻Rthja與各個(gè)IGBT下面的連接面積的關(guān)系函數(shù)。

圖 13.K值與各個(gè)IGBT連接面積分?jǐn)?shù)的平方的關(guān)系函數(shù)。

圖12顯示了各個(gè)IGBT的Rthja值與每個(gè)IGBT下面焊料連接面積的關(guān)系。與圖5所示的結(jié)果類似，可以看出Rthja與連接面積相關(guān)聯(lián)。如果同時(shí)根據(jù)連接面積百分比的平方生成并繪制K值，圖13再次表明，可以推斷出明顯的線性相關(guān)性，K值是各個(gè)IGBT連接面積分?jǐn)?shù)平方的函數(shù)。

結(jié)語

我們使用Simcenter Micred Power Tester中的Simcenter Micred T3STER結(jié)構(gòu)函數(shù)作為無損測試工具執(zhí)行評(píng)估，檢查了高功率多芯片半導(dǎo)體模塊在經(jīng)過重復(fù)循環(huán)測試后的熱流路徑完整性。對(duì)一個(gè)1.2kV/200A IGBT功率模塊（包含6個(gè)IGBT）進(jìn)行循環(huán)循環(huán)測試，以激活基底-基板界面處的焊接疲勞機(jī)理。在功率循環(huán)測試期間，定期執(zhí)行瞬態(tài)熱阻抗測量和SAM成像。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，計(jì)算熱結(jié)構(gòu)函數(shù)，并估算焊接層內(nèi)的裂紋面積。通過切片分析進(jìn)行失效分析，確認(rèn)基底-基板焊接層的不連續(xù)位置。本研究發(fā)現(xiàn)，通過結(jié)構(gòu)函數(shù)估算的結(jié)殼熱阻Rthjc的變化與通過SAM影像計(jì)算的焊接層剩余連接面積之間存在明確的關(guān)聯(lián)。它表明，通過微分結(jié)構(gòu)函數(shù)獲得的K值與通過SAM影像估算的連接面積百分比的平方呈線性關(guān)系。通過對(duì)模塊中的各個(gè)IGBT器件的熱阻抗執(zhí)行局部測量，進(jìn)而計(jì)算出的結(jié)構(gòu)函數(shù)也能得出相似的結(jié)果。因此，Simcenter Micred Power Tester及其結(jié)構(gòu)函數(shù)可以用于對(duì)功率模塊的特定層以及單獨(dú)器件的退化執(zhí)行無損評(píng)估。由此可見，可以將其用作基本的檢驗(yàn)工具，快速測試功率模塊中的熱流路徑的完整性，然后再?zèng)Q定是否需要采用更深入但可能更耗時(shí)的替代方法（例如SAM或破壞性分析）。