本研究于2024年12月18日以“《Investigation of Electro-Thermo-Mechanical Degradation and Crack Propagation of Wire Bonds in Power Modules Using Integrated Phase Field Modeling and Finite Element Analysis》”为题，在《IEEE Transactions on Power Electronics》期刊（第40卷第2期）上发表。该研究的作者包括Han Jiang（安徽大学集成电路学院）、Shuibao Liang（合肥工业大学材料科学与工程学院，通讯作者）、Yaohua Xu（安徽大学集成电路学院）以及Saranarayanan Ramachandran（英国思克莱德大学先进成形研究中心）。

该研究属于电子封装与可靠性工程、计算固体力学和材料科学交叉领域。其学术背景源于绝缘栅双极型晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor， IGBT）功率模块在电动汽车、航空航天等领域的广泛应用及随之而来的高可靠性需求。功率模块中的铝线键合（Wire Bonding）互连是影响其寿命的关键薄弱环节之一。在运行中，电流产生的焦耳热导致模块内部温度周期性波动，由于不同材料（如铝线、硅芯片）热膨胀系数不匹配，会在键合界面产生循环热机械应力，最终引发界面疲劳损伤、裂纹萌生与扩展，导致电气连接失效。虽然传统的基于有限元分析（Finite Element Analysis， FEA）的方法可以评估宏观应力，但在模拟微观结构（如铝线晶粒）对裂纹路径影响方面存在局限，例如通常需要预设裂纹路径。因此，迫切需要一种能够自然捕捉裂纹自发萌生、并能考虑材料微观结构影响的数值方法来深入研究失效机理。本研究的核心目标即是开发一种结合宏观多物理场有限元分析与细观相场（Phase Field）建模的全新集成方法，以探究铝线键合在功率循环载荷下的电-热-力学行为、界面退化与裂纹扩展过程，特别是揭示铝线晶界（Grain Boundary）形态对裂纹演化的影响，从而为功率模块的寿命预测与可靠性优化提供新见解。

研究的详细工作流程包括两个主要部分：宏观尺度的电-热-机械耦合有限元分析和细观尺度的相场断裂模拟，两者通过应变能密度传递进行耦合。具体步骤如下： 首先，研究人员建立了一个典型的IGBT功率模块多层结构模型（如图3所示），包含了芯片、铝金属化层、铝键合线、焊料层、直接覆铜板（DBC）和基板等。材料参数（电导率、热导率、热膨胀系数、弹塑性参数等）依据文献进行设定。为模拟功率循环，对模块施加加速测试条件：在顶部铜层左侧施加高电流密度（1.9×10⁷ A/m²），右侧接地，一个循环周期包括3秒通电（功率开启）和6秒断电（功率关闭）阶段，模块底部采用对流冷却边界条件。利用COMSOL Multiphysics软件，通过求解电流连续性方程、包含焦耳热源的热传导方程以及力学平衡方程，对模块进行全耦合的电-热-机械分析，计算出功率循环过程中模块内部的温度场、应力应变场以及塑性变形的累积。 其次，基于宏观分析结果，识别出应力集中区域——即铝线键合线与芯片金属化层连接的“脚后跟”（Heel）和“脚尖”（Tip）附近（如图7b所示）。从该区域提取出一个子模型（Submodel），用于更精细的裂纹研究。随后，将宏观计算得到的该区域随时间变化的应变能密度历史场作为驱动力，输入到自主开发的相场断裂模型中。相场模型引入了描述材料损伤状态的相场变量（d，从0完整到1完全断裂），通过求解包含历史场的演化方程，可以自然地模拟裂纹的萌生和扩展，无需预设裂纹路径。为了验证相场模型的有效性，研究团队先对一个纯铝试样进行了单轴拉伸模拟，成功再现了实验观察到的水平裂纹萌生与扩展模式以及应力-应变曲线中的应力释放阶段（如图5所示），证明了模型的可靠性。 为了深入研究微观结构的影响，研究的关键创新步骤是构建了考虑铝线实际多晶结构的模型。利用Voronoi镶嵌法（Voronoi Tessellation）在Matlab中生成具有不同晶粒尺寸和分布的铝线多晶模型，并将其嵌入到相场子模型中。特别地，为了模拟实际工艺中可能出现的界面结合强度和晶界强度的差异，研究者设定了三组不同的断裂韧性参数组合（Cases A， B， C）。这三组参数分别代表了铝线体材料、铝线/金属化层界面以及铝晶界区域具有不同的相对断裂韧性值，用于探究在不同界面结合质量和晶界“弱化”程度下，裂纹扩展行为的差异。整个集成分析流程（如图2流程图所示）是一个迭代过程：宏观FEA提供应变能密度驱动相场模型计算裂纹扩展；裂纹导致的材料损伤（通过退化函数g(d)降低材料属性）会反馈并影响后续循环中的宏观电-热-机械响应，从而实现双向耦合分析。

研究的主要结果丰富且具有层次性。首先，在宏观层面，电-热-机械分析显示，焦耳热导致芯片区域温度最高，在功率循环中结温（Junction Temperature）最高可达约178°C（如图6所示）。由此产生的热失配应力主要集中在铝线键合界面的脚后跟和脚尖处，其中脚后跟处的应力更大（如图7所示）。随着循环次数增加，由于塑性应变累积，模块整体的等效应力水平上升。 其次，在不考虑晶粒结构的均匀铝线模型中，相场模拟成功预测了裂纹行为。裂纹首先在应力最高的脚后跟界面处萌生（第1个循环结束时，t=9s），这与实验观察一致。随后，裂纹主要沿着键合界面扩展（如图9所示）。随着功率循环进行（至第8、12个循环），有效键合长度逐渐减小，最终仅剩初始长度的六分之一，严重削弱了机械完整性和电连接可靠性。裂纹的扩展同时引发了显著的应力重分布和应力释放现象。模拟显示，随着裂纹增长，子模型区域的平均等效应力先升后降，且最大应力点位置从右向左移动（如图10所示），直观地揭示了裂纹导致的承载能力下降。 第三，也是最核心的发现，在于引入铝线晶粒结构后揭示的晶界效应。模拟结果表明，铝线中的晶界对裂纹扩展路径有决定性影响。在三组参数案例中，裂纹均倾向于沿着晶界扩展，而非直接穿过晶粒（如图11， 12， 13所示）。尤其是在Case C（假设晶界断裂韧性最低）中，这种沿晶扩展现象最为显著。裂纹不仅在原始脚后跟处萌生并沿晶界快速扩展，还在脚尖界面处诱发了新的裂纹（如图13c-d所示）。这种多位置萌生和沿晶扩展模式与文献中的实验观察高度吻合（比较图13e和13f）。定量分析进一步证实，裂纹扩展速率和最终长度受晶界强度影响显著：晶界越“弱”（断裂韧性越低，如Case C），裂纹扩展得越快、越长；反之，则较慢（如Case A）。而未考虑晶界的均匀材料模型，其裂纹行为介于中间（如图14所示）。此外，对脚后跟关键节点应力的监测发现，裂纹扩展导致了该点应力的周期性上升幅度逐渐衰减，最终因连接严重退化而大幅下降（如图15所示），从力学响应角度印证了失效过程。

研究的结论是，通过整合相场建模与多物理场有限元分析，本研究成功开发了一种能够深入揭示铝线键合界面退化和裂纹扩展机理的新方法。该方法证实了在功率循环下，热失配应力导致铝线键合界面“脚后跟”处应力集中并首先萌生裂纹。更重要的是，研究发现铝线内部的晶界（由于晶界能和弱化效应）为裂纹扩展提供了优选路径，晶界的断裂韧性对裂纹扩展速度和模式有显著影响。晶界强度越低，裂纹沿晶扩展越快，可能引发多裂纹萌生，从而导致更剧烈的应力释放和更快的可靠性退化。该模型能够定性再现实验观察到的失效特征，为理解线键合失效的微观力学机制提供了新视角。

本研究的科学价值与应用意义突出。在科学层面，它首次将宏观电-热-机械分析与能够自然捕捉裂纹萌生、并融合真实多晶微观结构的细观相场模型相结合，突破了传统方法在模拟微结构相关裂纹路径方面的限制，为多尺度耦合失效分析提供了创新方法论。在应用层面，该模型可以作为一个强大的预测工具，帮助工程师更准确地评估不同线键合工艺（影响晶粒形态和界面质量）、不同线材（如未来可能拓展到铜线）以及不同工作条件（温度波动范围）下的模块可靠性，为功率模块的寿命预测和基于微观结构设计的可靠性优化指明了新途径。作者也指出，当前研究主要针对高温波动条件，对于低温波动下可能不同的变形机制（如焊料层退化）需要谨慎应用，且未来工作需要聚焦于模型预测结果的定量实验验证。

本研究的亮点在于：第一，方法新颖性：开创性地将宏观多物理场FEA与细观相场断裂模型结合，并成功引入真实多晶结构，实现了从服役载荷到微观失效路径的全链条、多尺度模拟。第二，重要发现：清晰揭示了铝线键合失效中晶界的主导性作用，明确了裂纹沿晶扩展的倾向及其对可靠性的关键影响，这是对传统宏观应力分析的重要补充和深化。第三，模型验证：通过与简单铝试样拉伸以及文献中功率模块键合线失效形貌的定性对比，初步验证了模型的有效性和预测能力。第四，潜在扩展性：作者指出该方法可拓展至研究铜或铜基键合线等其他类型互连，具有较广的适用前景。