一、引言

在 IGBT 模塊的可靠性研究中，鍵合線失效是導(dǎo)致器件性能退化的重要因素。研究發(fā)現(xiàn)，芯片表面平整度與鍵合線連接可靠性存在緊密關(guān)聯(lián)。當(dāng)芯片表面平整度不佳時(shí)，鍵合線與芯片連接部位易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)鍵合失效。深入探究這一關(guān)聯(lián)性，對(duì)提升 IGBT 模塊的可靠性和使用壽命具有關(guān)鍵意義。

二、IGBT 鍵合結(jié)構(gòu)與工作應(yīng)力分析

IGBT 模塊的鍵合結(jié)構(gòu)通常由鍵合線（多為金線或鋁線）連接芯片電極與基板引線框架構(gòu)成。在器件工作過(guò)程中，鍵合線不僅要承受電應(yīng)力和熱應(yīng)力，還會(huì)因芯片表面形態(tài)差異產(chǎn)生額外的機(jī)械應(yīng)力。芯片表面平整度差會(huì)打破鍵合線連接的均勻受力狀態(tài)，使局部區(qū)域承受異常集中的應(yīng)力。當(dāng)芯片溫度變化時(shí)，由于不同材料熱膨脹系數(shù)的差異，這種應(yīng)力集中現(xiàn)象會(huì)進(jìn)一步加劇。

三、平整度差引發(fā)應(yīng)力集中的作用機(jī)制

芯片表面存在微觀起伏或局部凸起時(shí)，鍵合線在壓焊過(guò)程中會(huì)形成非均勻的弧度分布。在芯片與基板的界面處，不平整的表面會(huì)導(dǎo)致鍵合線在連接點(diǎn)附近產(chǎn)生較大的彎曲變形，這種變形會(huì)在鍵合界面形成應(yīng)力集中。從材料力學(xué)角度分析，表面粗糙度引起的幾何不連續(xù)性，會(huì)使鍵合線連接部位的應(yīng)力分布呈現(xiàn)非線性特征。當(dāng)粗糙度超過(guò)一定閾值時(shí)，連接部位的最大應(yīng)力值會(huì)顯著高于平均應(yīng)力水平。例如，當(dāng)芯片表面粗糙度從 Ra0.3μm 增加到 Ra0.8μm 時(shí)，鍵合線根部的應(yīng)力集中系數(shù)可提升 20%-30%。

四、鍵合失效的典型模式與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

（一）鍵合界面開(kāi)裂

在應(yīng)力集中作用下，鍵合線與芯片電極的連接界面易出現(xiàn)微裂紋。隨著器件反復(fù)熱循環(huán)，裂紋會(huì)逐步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致鍵合界面完全開(kāi)裂。實(shí)驗(yàn)中觀察到，表面平整度差的芯片，其鍵合界面開(kāi)裂的起始循環(huán)次數(shù)比正常芯片減少約 40%-50%。

（二）鍵合線頸部斷裂

鍵合線頸部是應(yīng)力集中的敏感區(qū)域，當(dāng)芯片表面不平整時(shí)，頸部位置的彎曲應(yīng)力會(huì)顯著增加。某 IGBT 模塊可靠性測(cè)試顯示，使用表面粗糙度 Ra1.0μm 芯片的樣品，鍵合線頸部斷裂的失效概率比使用 Ra0.5μm 芯片的樣品高 2.3 倍。

（三）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同表面平整度的芯片進(jìn)行鍵合可靠性測(cè)試。結(jié)果表明：當(dāng)芯片表面粗糙度控制在 Ra0.5μm 以下時(shí)，鍵合線的平均失效時(shí)間超過(guò) 1000 小時(shí)；而當(dāng)粗糙度達(dá)到 Ra1.0μm 時(shí)，平均失效時(shí)間縮短至 600 小時(shí)左右。掃描電鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，失效樣品的鍵合界面普遍存在明顯的應(yīng)力腐蝕痕跡。

激光頻率梳3D光學(xué)輪廓測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介：

20世紀(jì)80年代，飛秒鎖模激光器取得重要進(jìn)展。2000年左右，美國(guó)J.Hall教授團(tuán)隊(duì)?wèi){借自參考f-2f技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的鈦寶石鎖模激光器，標(biāo)志著飛秒光學(xué)頻率梳正式誕生。2005年，Theodor.W.H?nsch（德國(guó)馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所）與John.L.Hall（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所）因在該領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)，共同榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。?

系統(tǒng)基于激光頻率梳原理，采用500kHz高頻激光脈沖飛行測(cè)距技術(shù)，打破傳統(tǒng)光學(xué)遮擋限制，專(zhuān)為深孔、凹槽等復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)件測(cè)量而生。在1m超長(zhǎng)工作距離下，仍能保持微米級(jí)精度，革新自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)。?

核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)?

①同軸落射測(cè)距：獨(dú)特掃描方式攻克光學(xué)“遮擋”難題，適用于縱橫溝壑的閥體油路板等復(fù)雜結(jié)構(gòu)；?

（以上為新啟航實(shí)測(cè)樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

②高精度大縱深：以±2μm精度實(shí)現(xiàn)最大130mm高度/深度掃描成像；?

（以上為新啟航實(shí)測(cè)樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

③多鏡頭大視野：支持組合配置，輕松覆蓋數(shù)十米范圍的檢測(cè)需求。

（以上為新啟航實(shí)測(cè)樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

審核編輯 黃宇