冷热气流冲击试验仪对IGBT器件热冲击失效分析

编辑 | 环仪仪器

目前大功率SiC IGBT器件常用高熔点的高铅焊料作为固晶材料，为保证功率器件的长期使用，需研究温度冲击条件下高铅焊点的疲劳可靠性，并探究其失效机理。下面，我们使用冷热气流冲击试验仪，探究SiC芯片和基板的固晶材料的温度冲击对疲劳失效的影响。

IGBT器件热冲击失效分析：

试验设备：环仪仪器 冷热气流冲击试验仪

试验材料：SiC芯片、DBC基板和高铅焊料

1.SiC晶片在蓝膜上被切割成5 mm×5 mm芯片，背面镀层为Ti/Ni/Ag，厚度分别为：0.1 μm、0.3 μm和0.4 μm。

2.DBC基板尺寸为30 mm×15 mm×0.9 mm，中间陶瓷层的厚度为0.5 mm，双面敷铜层的厚度为0.2 mm。

试验过程：

1.使用冷热气流冲击试验仪对样品进行不同次数的温度冲击试验，选取JEDEC中的温度冲击条件：高温150 ℃保持15 min，低温-65 ℃保持15 min。

2.将焊接好的样品分别进行0次、250次、500次、750次和1 000次温度冲击。在温度冲击后，使用环氧树脂将样品镶嵌，并用砂纸和抛光剂对样品的厚度方向截面进行打磨和抛光，然后使用扫描电子显微镜（SEM）观察焊点的纵向截面，并用能谱仪（EDS）分析焊料层中的物质成分。

3.每组经历过不同次数温度冲击的样品中，取三个使用推力仪进行推力试验，得到的推力大小取平均值作为该次数温度冲击后焊点的剪切强度。推力试验中推刀高度为80 μm，推刀移动速度100 μm/s。

试验结果：

下图为温度冲击后焊点的纵向截面组织与形貌。

在温冲前焊点中，芯片和焊点的上界面会生成块状的IMC其放大图像和成分组成下图(a)所示，其为Ag3Sn而下层为连续的扇贝状Cu3Sn，如下图(b)所示。

1.温度冲击后，焊点剪切截面的部分断裂区域会从芯片镀层变化到Cu3Sn界面；由于Ag和Sn在焊点内部生成Ag3Sn，导致焊点基体变脆，在750次温度冲击后，焊料基体断裂形式由韧性断裂向脆性断裂转变，焊点剪切强度迅速降低。

2.温度冲击会导致焊料层在热失配的作用下受到较大的热应力，并且在焊料层的上界面边角处出现了应力、应变和应变能集中；焊料层上界面不均匀分布的块状Ag3Sn会进一步导致界面边角位置的应力变得复杂与集中，最终在界面处的Ag3Sn中萌生裂纹。

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