功率模块是实现绿色能源转换的重要部件，绝缘栅门极晶体管( Insulated Gate Bipolar Translator，IGBT) 作为使用频率高的电源转换芯片，是出现故障频率高的器件，其失效机理及检测方式被大量研究。可靠的封装为芯片工作提供稳定的电气连接、良好的绝缘性能和充分的抗干扰能力，是IGBT功率模块可靠性的重要组成部分。现在被主流使用的封装形式有焊接型和压接型封装。两种封装结构在功率密度、串并联能力、制造费用、封装可靠性和散热能力等方面有所不同。由于压接型封装具有双面冷却和失效自短路效应，其在散热、可靠性及串联能力上优于焊接型封装，因此被广泛用于高功率密度场合，如高压电网和高功率机械设备，但封装复杂笨重。焊接型封装结构因其制造工艺简单、成本低和并联能力强被广泛使用在中低功率密度场合，如消费电子、汽车电子。两种封装结构导致了不同的失效机理，但其本质多是IGBT 芯片工作产生的热量未即时耗散，引起温度梯度，会导致的封装材料疲劳致使失效。

一、焊接型IGBT 功率模块封装结构

自1975 年，焊接型 IGBT 功率模块封装被提出，便被广泛使用。其中，直接覆铜陶瓷板( Direct Bonded Copper，DBC)由上铜层、陶瓷板和下铜层组成，其一方面实现对IGBT 芯片和续流二极管的固定和电气连接，另一方面形成了模块散热的主要通道。DBC 与芯片和铜基板的连接依靠焊料完成，芯片之间及与外部端子之间的连接依靠超声键合引线完成，此外为减少外部湿气、灰尘和污染对模块的影响，整个模块被有机硅凝胶灌封。

IGBT 功率模块工作过程中存在开关损耗和导通损耗，这些损耗以热的形式耗散，使得在 IGBT 功率模块封装结构产生温度梯度。并且结构层不同材料的热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)相差较大，因此产生循环往复的热应力，使材料疲劳，导致IGBT功率模块封装失效。焊接型 IGBT 功率模块主要的失效形式表现为键合线失效和焊层失效。在实际应用中，由于单芯片能够承受的功率较小，通常将多个芯片集联在一起形成功能模块，或将驱动进行集成形成“智能功率模块”。

二、 焊接IGBT 功率模块封装失效机理

( 1) 键合线失效

一般使用Al 或 Cu 键合线将端子与芯片电极超声键合实现与外部的电气连接，两种材料均与 Si 及Si 上绝缘材料，如 SiO2 的 CTE 差别较大。当模块工作时，IGBT 芯片功耗以及键合线的焦耳热会使键合线温度升高，并在接触点和键合线上产生温度梯度，形成剪切应力。长时间处于开通与关断循环的工作状态，产生应力及疲劳形变累积，会导致接触点产生裂纹，增大接触热阻，焦耳热增多，温度梯度加大导致键合线受损加剧，形成正向反馈循环，会导致键合线脱落或断裂。

研究表明，这些失效是由材料CTE 不匹配导致的结果。键合线断裂的位置出现在其根部，这种根部断裂是键合线失效的主要表现。一些研究指出，可以通过优化键合线的形状来改善其可靠性。具体而言，键合线高度越高、键合线距离越远，键合线所受应力水平越低，可靠性越高。

（2) 焊层失效

上述的温度梯度也存在于焊层与相邻的组件中，因此会导致剪切应力产生。焊层失效的主要表现形式是: 裂纹、空洞与分层。在开通与关断循环往复中，作为弹塑性材料的焊层会出现非弹性应变，导致焊层产生裂纹，裂纹发展，使得焊料分层。空洞是由焊料的晶界空洞和回流焊工艺所造成的，是不可避免的现象，随着功率循环，焊层受到热应力，空洞也会增长。焊层出现失效情况后，会进一步使得热阻增加，导致温度梯度增大形成正向反馈，会导致焊层彻底失效。

(3) 电迁移、电化学腐蚀和金属化重构

IGBT 功率模块芯片顶部存在一层 Al 金属薄膜用以与外部进行连接。在电流和温度梯度的作用下，Al 金属离子会沿着导体运动，如沿着键合线运动，产生净质量输运，导致薄膜上出现空洞、小丘或晶须。

随着器件的老化，有机硅凝胶的气密性下降，外部的物质会与Al 金属薄膜接触，使其发生电化学腐蚀。常见的有 Al 的自钝化反应、单一阳极腐蚀电池反应以及与沾污的离子发生反应。

金属化重构是由于Al 与芯片上 SiO2 的 CTE 值相差两个数量级，导致界面处产生循环应力，使得Al 原子发生扩散，造成小丘、晶须和空洞，产生塑性形变，引发裂纹。

以上所述三种因素导致的Al 薄膜失效方式会加剧键合点处的疲劳情况，导致键合线脱落或电场击穿失效。