IGBT功率模块容易在哪里失效？芯片、键合线及连接界面测试解析

随着新能源汽车、光伏储能、工业控制、轨道交通等领域对功率器件的功率密度、工作温度和长期可靠性要求不断提高，IGBT功率模块作为电能转换与控制中的关键器件，其可靠性验证需求也不断上涨。

IGBT模块的可靠性不仅取决于IGBT芯片本身，也与芯片贴装、键合互连、DBC基板以及焊接/烧结等封装工艺密切相关。本文科准测控小编基于Alpha-W260自动推拉力测试机的使用，围绕IGBT是什么、IGBT功率模块封装结构、常见封装失效、IGBT推拉力测试项目及测试设备等方面，为大家详细讲解IGBT功率模块机械可靠性测试方法。

一、IGBT是什么？

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），中文名称为绝缘栅双极型晶体管，是一种重要的功率半导体器件。具有输入阻抗高、驱动功率较小、开关速度较快以及较强载流能力等特点，主要用于电能转换、逆变及功率控制。

IGBT模块通过将多个IGBT芯片、FRD芯片及相关互连结构集成封装，可应用于新能源汽车电机驱动、光伏及储能逆变器、工业变频器、轨道交通充电桩、UPS电源、智能电网等领域。

二、IGBT功率模块封装结构

IGBT功率模块典型结构主要包括：IGBT芯片 / FRD芯片、芯片焊接层或烧结层、DBC陶瓷覆铜基板、基板连接层、散热底板。芯片顶部通常通过铝线、铜线等键合结构与电极、端子建立电气连接。

传统IGBT模块常见铝线键合及焊料连接，而为了提高功率密度和高温可靠性，也在逐渐应用铜线/铜带互连、银烧结等封装技术。

三、IGBT功率模块为什么会出现封装失效？

IGBT工作过程中会不断经历发热和冷却。

由于芯片、焊料/烧结层、铜层、陶瓷基板以及底板等不同材料的热膨胀系数存在差异，长期温度循环和功率循环会在不同材料界面产生热机械应力。

比较典型的机械失效包括：

1. 键合线脱落

键合线与芯片焊盘之间连接强度不足，在热循环及长期工作过程中可能出现键合点松动、脱落等问题。

2. 芯片连接层失效

IGBT芯片通常通过焊接或烧结方式固定于DBC基板。若连接层存在空洞、工艺不稳定或界面结合不足，可能影响芯片机械连接和散热性能。

3. 焊接/烧结界面疲劳

长期功率循环会使连接界面反复承受热机械应力，可能逐渐形成裂纹、分层或局部脱离。

4. DBC及多材料界面分层

DBC陶瓷、铜层、连接层和底板等结构之间也可能由于热应力出现界面损伤。

四、IGBT功率模块常见推拉力测试

针对IGBT内部不同封装结构，可以采用不同的机械强度测试方法。

1. IGBT芯片剪切测试（Die Shear）

芯片剪切主要用于评价IGBT芯片与DBC基板之间焊接层或烧结层的结合强度。

测试时，将IGBT模块或DBC组件固定在测试平台上，根据芯片尺寸选择合适的剪切工具，并将工具下降至规定高度。

随后沿接近芯片安装平面的方向推动芯片，直至芯片发生脱离或连接界面失效，同时记录最大剪切力。

通过测试不仅可以得到剪切力，还可以结合失效后的界面状态判断：芯片是否完整脱离、焊接/烧结层是否发生界面破坏、芯片是否破裂、基板表面是否存在残留材料

2. IGBT键合线拉力测试（Wire Pull）

IGBT功率模块内部通常存在大量键合线，用于连接芯片顶部电极与DBC铜层或端子。

测试时，将拉钩移动至键合线下方，然后按照规定速度向上加载，直至键合线或键合点发生断裂。

通过测试可以获得：键合线拉力、断裂位置及失效模式。

常见失效位置包括键合线中部断裂、第一/第二键合点附近断裂以及键合点脱离等。

如果拉力值异常偏低或者失效位置集中出现在键合界面，则需要进一步检查键合压力、超声参数、键合时间及表面状态等工艺因素。资料同样指出，铝线键合过程中，键合位置、力度、时间、设备参数及夹具设计等都会影响最终质量。

3. 端子及其他连接结构强度测试

除了芯片和键合线外，IGBT模块还包含功率端子、信号端子及其他机械连接结构。

根据具体产品结构，还可以进行：

端子拉力、端子推力、连接件剪切以及其他封装结构机械强度测试。

具体测试方式需要根据产品结构、连接形式以及对应标准要求确定。

五、IGBT推拉力测试设备

针对IGBT芯片、键合线及相关微小连接结构测试，可采用科准测控Alpha-W260自动推拉力测试机进行机械强度检测。

针对不同IGBT封装结构，可配置相应的测试工装，实现多种测试方式。

对于多芯片IGBT功率模块，一个模块内部可能同时存在多个IGBT芯片、二极管以及大量键合线，因此测试点数量较多。

Alpha-W260可结合显微视觉系统进行测试位置定位，并针对阵列或多测试点样品进行自动化测试，减少人工逐点定位带来的操作差异，同时记录对应测试数据。

对于IGBT模块研发、封装工艺验证以及质量检测，可以通过机械强度数据进一步分析芯片贴装、焊接/烧结及键合工艺的稳定性。

以上就是科准测控小编为您介绍的IGBT功率模块推拉力测试相关内容。如果您对Alpha-W260自动推拉测试机操作、IGBT芯片剪切怎么测试、键合线拉力怎么测试、银烧结Die Shear测试或推拉力测试机选型等问题有疑问，欢迎联系我们获取免费的技术支持。