MicroelectronicsReliability

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功率半导体器件是电力电子系统的主要组成部件。IGBT功率器件的使用寿命可以达到30年左右，因此在实际工作条件下测试IGBT功率器件的可靠性是不现实的，需要引入加速老化试验。功率循环试验是用于评估半导体可靠性的最常见的热加速测试之一。由于实际应用中IGBT功率模块的结温波动(ΔTj)一般为40K，在测试中，ΔTj一般需要达到70K以上；采用不同的试验条件，构建器件的寿命预测模型，可以推断器件在实际工况下的寿命。20世纪90年代，瑞士研究人员发起了一个名为LESIT的项目，对大量IGBT模块进行功率循环测试，并建立了寿命预测模型，包括两个最重要的参数：结温摆幅(?Tj)和介质温度(Tm)。目前研究来看，可以认为ΔTj、Tm、ton和Ic是影响IGBT模块功率循环寿命的四个最重要的测试条件。因此，在研究某一试验条件对IGBT模块的影响时，需要确保其他试验条件保持不变。

在功率循环试验中，ton、Ic和冷却条件的不同组合可以在一个模块中产生相同的ΔTj和Tm。冷却条件包括但不限于冷却剂的类型，温度和流量以及TIM的类型和厚度。TIM对从结到散热器的总热阻Rth的贡献超过50%。当功率损耗和ton恒定时，结温将随TIM的Rth而变化。但在电加热条件(ΔTj、Tm、ton和Ic)不变的情况下，TIM对整个测试的影响未知且不能忽视，同时相同的IGBT模块在不同的冷却条件下是否具有相同的功率循环寿命值得研究。

合肥工业大学王佳宁研究团队，针对标准IGBT模块直流功率循环试验中冷却条件（包括但不限于冷却剂的类型、温度和流量以及热界面材料(TIM)的类型和厚度）可能对整个试验过程产生影响，采用不同种类和厚度的TIM来改变冷却条件，并用冷却时间toff定量表征。研究了TIM对IGBT模块功率循环寿命的影响，结果表明，当toff变长时，IGBT模块的功率循环寿命将会提高。为了进一步研究IGBT在不同冷却条件下的失效机制，进行了热-力学联合仿真。研究成果以“ImpactofthermalinterfacematerialonpowercyclinglifetimeofIGBTmodule”为题发表于《MicroelectronicsReliability》期刊。简化的热阻网络。IGBT模块内部结构。IGBT模块垂直结构示意图。1：键合线，2：芯片，3：焊锡，4：铜，5：DCB，6：基板，7：TIM，8：散热器。直流电源循环测试台。1：热电偶，2：信号采集线，3：直流电源，4：DUT，5：散热器。功率循环测试示意图。

实验测试条件。

功率循环测试结果。功率循环测试期间DUT的Vce趋势。DUT1A在功率循环测试期间的Vce和Rth(j-h)趋势。IGBT模块测试前后的SAM图（a）：Bonding界面；(b)：芯片贴装。

不同TIM下DUTs的失效周期。

FEM的网格模型。

模型中使用的材料参数。

模拟和实验分组相同设置条件下，相同模拟中不同组的规格。

芯片的温度分布和提取路径。四组芯片温度分布对比。不同冷却时间的热模拟结果。键合线的等效应力和温度分布。(a)：键合线结构示意图；(b)：第4组键合线的等效应力(toff=4s)；(c)：第4组键合线的温度分布(toff=4s)。第1组和第4组键合线上的应力比较。裂纹扩展方向（第一键）。

本文采用功率循环试验和热-力学联合仿真方法，研究了TIM热阻对IGBT模块功率循环寿命和失效模式的影响。试验采用单变量控制方法。除TIM热阻不同外，其他电加热条件(负载电流、负载脉冲持续时间、结温、结温波动)完全一致。栅极电压用于调节DUT的功率损耗。

可以得出以下结论：1）TIM热阻的增加有助于提高功率循环寿命。主要的失效模式是引线键合剥离。2)由于温度较高，靠近芯片中心的键合线比靠近边缘的键合线更容易损坏。因此，本次测试中IGBT模块的功率循环寿命取决于中心键合线（4号和5号键合线）的寿命。键合线的失效点主要是跟部区域。第一键的上升跟部区域最有可能破裂。3）由于TIM的功率损耗较小，热阻较高，芯片中心区域温度降低，芯片水平温度梯度减小，使得中心键合线上的等效（vonMises）应力减小并且寿命得到改善。未来将进一步研究其他冷却条件对IGBT模块功率循环寿命的影响，提出一种考虑冷却条件寿命的预测方法。

原文信息

ImpactofthermalinterfacematerialonpowercyclinglifetimeofIGBTmodule,

JinhaoCai,LijianDing,JianingWang*,NanJiang,

MicroelectronicsReliability(),

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