功率模塊是實現綠色能源轉換的重要組成部分。作為使用頻率[敏感詞]的電源轉換芯片，絕緣門極晶體管是故障頻率[敏感詞]的裝置，大量研究了其故障機理和檢測方法。可靠的包裝是IGBT功率模塊可靠性的重要組成部分，為芯片工作提供穩定的電氣連接、良好的絕緣性和充分的抗干擾能力。目前主流使用的包裝形式有焊接型和壓接型。兩種包裝結構在功率密度、串并聯能力、制造成本、包裝可靠性和散熱能力等方面都有所不同。由于壓接包裝具有雙面冷卻和故障自短路效應，在散熱、可靠性和串聯性方面優于焊接包裝，廣泛應用于高功率密度場合，如高壓電網和高功率機械設備，但包裝復雜而笨重。焊接包裝結構因其制造工藝簡單、成本低、并聯能力強，廣泛應用于消費電子、汽車電子等低功率密度場合。這兩種包裝結構導致了不同的故障機制，但其本質主要是IGBT芯片工作產生的熱量沒有立即消耗，導致溫度梯度，最終導致包裝材料疲勞導致故障。IGBT超聲焊接機

一、焊接IGBT功率模塊封裝結構

自1975年以來，提出了焊接IGBT功率模塊的包裝，并得到了廣泛的應用。其中，直接覆銅陶瓷板由上銅層、陶瓷板和下銅層組成，一方面實現了IGBT芯片和連續二極管的固定和電氣連接，另一方面形成了模塊散熱的主要通道。DBC與芯片和銅基板的連接依賴于焊接材料，芯片與外部端子的連接依賴于超聲鍵接線。此外，為了減少外部水分、灰塵和污染對模塊的影響，整個模塊被硅膠密封。

IGBT功率模塊工作過程中存在開關損耗和導通損耗，以熱的形式消耗，使IGBT功率模塊包裝結構產生溫度梯度。結構層不同材料的熱膨脹系數差異較大，產生循環熱應力，使材料疲勞，最終導致IGBT功率模塊包裝故障。焊接IGBT功率模塊的主要故障形式是鍵線故障和焊接層故障。在實際應用中，由于單個芯片能承受的功率較小，多個芯片通常集成在一起形成功能模塊，或驅動集成形成“智能功率模塊”。

二、焊接IGBT功率模塊封裝失效

一般采用Al或Cu鍵合線將端子與芯片電極超聲鍵合，實現與外部電氣的連接。這兩種材料都與Si和Si上的絕緣材料有很大的不同，如SiO2的CTE。模塊工作時，IGBT芯片功耗和鍵合線焦耳熱會提高鍵合線溫度，在接觸點和鍵合線上產生溫度梯度，形成剪切應力。長期處于開關循環工作狀態，產生應力和疲勞形變積累，會導致接觸點裂紋、接觸熱阻增大、焦耳熱增大、溫度梯度增大，最終導致鍵合線損壞加劇，形成正反饋循環，最終導致鍵合線脫落或斷裂。

研究表明，這些故障是由材料CTE不匹配引起的。鍵合線斷裂的位置出現在其根部，這是鍵合線故障的主要表現。一些研究指出，可以通過優化鍵合線的形狀來提高其可靠性。具體來說，鍵合線的高度越高，鍵合線的距離越遠，鍵合線的應力水平越低，可靠性越高。

(2)焊層失效

上述溫度梯度也存在于焊接層和相鄰組件中，因此會導致剪切應力。焊接層失效的主要表現形式是裂紋、空洞和分層。在開關循環中，作為彈性塑料材料的焊接層會出現非彈性應變，最終導致焊接層的裂紋、裂紋的發展和焊接材料的分層。空洞是由焊接材料的晶體邊界空洞和回流焊工藝引起的，這是一種不可避免的現象。隨著功率循環，焊接層受到熱應力，空洞也會增加。焊接層失效后，熱阻進一步增加，導致溫度梯度增加，形成正反饋，最終導致焊接層完全失效。

(3)電遷移、電化學腐蝕和金屬化重構

IGBT功率模塊芯片頂部有一層Al金屬薄膜，用于與外界連接。在電流和溫度梯度的作用下，Al金屬離子會沿著導體移動，如沿鍵合線移動，產生凈質量運輸，導致薄膜上出現空洞、小丘或晶須。

隨著設備的老化，硅膠的氣密性降低，外部物質與Al金屬薄膜接觸，導致電化學腐蝕。常見的有Al自鈍化反應、單陽極腐蝕電池反應和與污染的離子反應。

金屬化重建是由于Al和芯片上SiO2的CTE值相差兩個數量級，導致界面循環應力，Al原子擴散，導致丘陵、晶須和空洞，最終導致塑性變形和裂紋。

上述三個因素導致的Al膜失效會加劇鍵合點的疲勞，最終導致鍵合線脫落或電場擊穿失效。