目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于IGBT器件失效的研究眾多，主要從兩方面入手，一方面是考慮器件自身的工作循環(huán)，另一方面是考慮器件的實(shí)際工況環(huán)境，研究表明IGBT失效是由內(nèi)部工作循環(huán)及外部工況同時(shí)作用導(dǎo)致的，其失效機(jī)理復(fù)雜，失效模式主要分為封裝類失效及芯片類失效，如圖2-2所示。

    鍵合引線一般是通過超聲波鍵合工藝，實(shí)現(xiàn)與芯片、DBC板的連接，由于工作過程中承受較大的電流負(fù)載，其鍵合點(diǎn)處為IGBT模塊的薄弱環(huán)節(jié)之一。鍵合線故障主要包括鍵合點(diǎn)脫落及鍵合線斷裂，研究表明功率電子器件中鍵合線失效占器件總失效的70%左右。隨著技術(shù)發(fā)展，用于IGBT鍵合線的材料特性越來越好，鍵合線斷裂情況很少再發(fā)生，因此IGBT鍵合線故障主要的失效模式為鍵合點(diǎn)脫落。鍵合線脫落如圖(a)、(b)，由于鋁鍵合線的抗拉極限低，在IGBT正常工作時(shí)的功率循環(huán)與溫度循環(huán)下，因電流通過產(chǎn)生的熱應(yīng)力及材料間CTE差異引起的剪切應(yīng)力，導(dǎo)致鍵合線與芯片連接處萌生裂紋，在持續(xù)的熱應(yīng)力或外部環(huán)境如振動(dòng)沖擊影響下，裂紋擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致IGBT鍵合線脫落。

    鍵合引線在剪切應(yīng)力作用下裂紋擴(kuò)展失效的過程如圖2-4 所示，可以看到裂紋萌生的部位產(chǎn)生了應(yīng)力集中效應(yīng)，導(dǎo)致靠近裂紋位置的應(yīng)力(σlocal) 要明顯大于其它距離裂紋位置較遠(yuǎn)的應(yīng)力(σ)，兩應(yīng)力之間存在如式(2-1)所述關(guān)系式。圖2-4中: a表示當(dāng)前形成的裂紋長(zhǎng)度，r 表示到當(dāng)前形成裂紋尖部的距離大小。可以看到，σloca 應(yīng)力隨著到裂紋尖部的距離增大而呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，當(dāng)某一靠近裂紋的位置出現(xiàn)σloca應(yīng)力大于鋁鍵合引線產(chǎn)生的應(yīng)力時(shí)，裂紋變形將發(fā)生擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致鋁鍵合引線與IGBT 芯片間發(fā)生脫落。同時(shí)，如果需要確定裂紋變形區(qū)域的寬度，我們可以在式(2-1) 和式(2-2) 中假定σloca=σy,，然后求解即可。

    焊料層主要作用在于連接IGBT器件內(nèi)部各層材料，在工作期間產(chǎn)生的熱循環(huán)過程中，由于材料間CTE差異，在材料間產(chǎn)生交變的剪切熱應(yīng)力，焊料層疲勞如圖2-5 (a)、 2-5 (b)所示。在上述應(yīng)力的連續(xù)作用下，導(dǎo)致焊料層疲勞老化，萌生裂紋，進(jìn)而擴(kuò)展至材料分層，同時(shí)由于裂紋及分層的產(chǎn)生，焊料層與各層材料間的接觸面積變小，模塊熱阻增大，IGBT 器件內(nèi)溫度進(jìn)一步升高，并加速焊料層的失效，循環(huán)往復(fù),致使IGBT過熱燒毀。另一方面，不可避免的IGBT在制造過程中由于其工藝本身缺陷，其初始狀態(tài)就具有裂紋或空洞等，這些工藝缺陷在熱應(yīng)力的激發(fā)下，同樣將導(dǎo)致器件的失效。

    IGBT器件焊料層疲勞的擴(kuò)展過程與鍵合引線裂紋擴(kuò)展類似，如圖2-6所示。上圖所示熱剪切應(yīng)力作用下，焊料層疲勞裂紋末端產(chǎn)生一個(gè)不可恢復(fù)區(qū)域，同時(shí)在熱應(yīng)力作用下，裂紋發(fā)生拉長(zhǎng)，致使焊料層生成一個(gè)包含可恢復(fù)變形( △ael )和永久變形( △apl )新的表面。在應(yīng)力σ去除后，前面形成的可恢復(fù)變形將復(fù)原，但永久變形部分仍在，致使新生成的表面發(fā)生擴(kuò)展。