失效分析及安全性优化

1.失效分析

功率模块失效除了功率器件受温升（ΔT）影响外，各种电连接还受到温度变化率（dT/dt）的限制。随着设备的通断、负载变化及环境温度变化，芯片温度也会发生变化。由于芯片与其封装材料间的热膨胀系数不同，会引起结合面之间的热机械应力，随温度反复变化会出现热疲劳，使结合面剥离，最终导致模块失效。由热机械应力引起的热疲劳失效取决于负载和冷却条件。通常距芯片越远的连接点受热越慢，芯片散热效果越差，温升越高。温升会引起所有连接点膨胀，导致最后脱焊。在图6-42所示的模块结构中，实现连接的焊层、压焊点及键合线是模块中最薄弱的环节，失效往往会在此薄弱处发生。

功率模块因焊接疲劳引起的芯片剥离如图6-64所示^[54]。在DBC基板上右边四个IGBT芯片上有负载变化，而其他的IGBT和二极管芯片没有负载变化。在超声波显微镜下，可以观测到负载变化造成的芯片剥离分层，如图6-64b所示。当电流流过这4个平行的芯片时，由于芯片中央位置的温度最高，故分层是从内角开始的。当芯片面积较大时，温度梯度也就较大，这种剥离分层就会从温度变化最大的中央位置开始^[65]。

图6-64 模块焊接疲劳引起的芯片剥离

对于采用BGA连接的模块，因焊料热疲劳引起的模块失效如图6-65所示。焊球中间出现裂缝，导致电连接失效^[66]。由于与焊球相连的两侧材料间热膨胀系数（CTE）不同，当温度较高时，两种材料均会产生张应力；当温度较低时，两种材料均会产生压应力，如图6-65b所示。这种张应力和压应力随温度的反复变化，导致焊料产生应变，最终使之断裂。为了解决焊球的热机械应力失配问题，在芯片与电路的焊球空隙间填充聚合物如图6-65c所示，以缓解焊球区的热机械应力，并将其从易损坏的焊球区转移到能调节压力的电路板上。这种方法比较简单、成本也很低。当然，可以用倒装工艺将芯片直接安装在聚合物基板上，但成本较高。(www.xing528.com)

图6-65 热疲劳引起的失效模式、原因及解决措施示意图

2.安全性

模块失效的原因很多，都会直接影响到模块工作的安全性。以电压型逆变电路为例，由误触发引起的模块失效时，储存在直流电路电容器中的全部能量将注入到模块中。当键合线被熔断后，绝大部分能量会产生电弧，进而可能引起模块爆炸。在传统的晶体管模块中，这一现象会引起电路中断、主电路短路，甚至绝缘层被烧穿，引起电弧和模块残骸高速射向周围。通过良好的外壳设计，可以将爆炸的残骸引导向一个固定的方向，使此类危险降低至最低程度。研究表明，在15kJ的能量水平下，不会有粒子从模块溢出，即使在20kJ能量水平下，外壳虽会开裂，但仍然不会有大量的金属残骸射出^[67]。到目前为止，IEC60747-15标准还没有明确定义一个功率模块外壳破裂的电流或能量。

目前，功率模块已经避免使用有毒材料（如氧化铍），并且材料种类的数目也在减少。要求外壳和其他材料具有阻燃性，并在燃烧时不会释放毒气。模块在回收时，也能方便地把金属和非金属部件拆解下来，因此新模块只使用有永久弹性的灌注密封（即软灌注密封）材料。