本文档发表于Microelectronics Reliability期刊，于2015年在线发布。文章标题为“Dependence of Overcurrent Failure Modes of IGBT Modules on Interconnect Technologies”。主要作者为Imran Yaqub, Jianfeng Li, Christopher Mark Johnson，他们分别来自英国诺丁汉大学电气与电子工程系以及Dynex半导体有限公司。
本研究的学术背景集中在电力电子领域，特别是绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块的可靠性与封装技术。IGBT模块作为关键的开关器件，广泛应用于牵引电机驱动、可再生能源、高压直流输电、脉冲电源系统等多种电力网络相关领域。在这些应用中，系统通常由多个IGBT模块串联构成并采用一定的冗余设计。因此，当发生意外的过流或过压故障导致某个模块损坏时，业界期望模块呈现“故障至短路”（Failure to Short Circuit, SCFM）的行为模式，而非“故障至开路”（Failure to Open Circuit, OCFM）。这样，即使单个或少数冗余模块失效，整个串联组仍能继续工作，失效模块可以在后续计划性维护中更换，这对于安装在偏远、难以接近或非计划性维护成本极高的系统至关重要。实现SCFM行为的关键在于模块的互连（Interconnect）技术，因为故障通常由模块内部极快的电热能量耗散引起，而模块的机械结构、热传导和电传导路径都严重依赖于互连技术。传统的铝线键合（Al wire bonding）技术因其散热能力有限和寄生电感较高等问题，促使研究人员探索替代方案。当时，仅有基于压接（Press pack）技术的少数IGBT模块被报道具备SCFM能力，但其结构复杂、制造工艺要求高且成本昂贵。因此，本研究旨在研究三种相对简单的互连技术（标准铝线键合、柔性印刷电路板（Flexible PCB）互连以及三明治（Sandwich）结构）对IGBT模块过电流失效模式的影响，以期找到一种更简单、成本更低的解决方案，用于设计和制造具备故障至短路行为的IGBT模块。
本研究的工作流程主要包括样品制备、过电流测试和结构表征三个核心环节，每个环节都有详细的设计和执行步骤。
第一，样品制备。 研究没有使用结构复杂的完整IGBT模块，而是针对三种互连技术分别制备了单管IGBT样品，以简化测试并降低成本。所有样品均采用商业化的AlN基直接覆铜（DBC）陶瓷基板。具体制备方法如下： 1. 铝线键合样品： 使用1700V/50A的硅基IGBT芯片。首先通过模板印刷在DBC基板上施加100μm厚的Sn-3.5Ag共晶焊膏，将IGBT芯片放置其上，在空气中以260°C峰值温度回流焊接5分钟。然后清洁基板表面氧化物，最后使用超声波键合机将纯铝线（直径375μm）键合到IGBT上表面（发射极/栅极）和DBC基板相应的焊盘上，形成电气连接。 2. 柔性PCB互连样品： 使用2500V/50A的IGBT芯片。采用定制的柔性PCB，其结构为100μm厚聚酰亚胺夹在两侧100μm厚的铜线路之间，有过孔连接上下层。使用银纳米颗粒烧结技术同时实现IGBT芯片的贴装和柔性PCB与芯片上表面（发射极）及DBC基板的连接。制备过程包括将柔性PCB预固定在银箔上，印刷并干燥银纳米颗粒浆料，然后对齐放置IGBT芯片和柔性PCB，最后在250°C温度和5MPa压力下烧结5分钟。芯片的栅极仍通过铝线键合引出。 3. 三明治结构样品： 在柔性PCB互连样品的基础上，增加了一个略大的顶部DBC基板，并使用两个小块DBC基板和Sn-3.5Ag焊料作为支撑柱，在约100N的压缩力下，通过回流焊将顶部和底部DBC基板连接起来，从而对内部的柔性PCB互连结构形成机械约束。
第二，过电流测试。 测试采用一个电容放电电路来模拟实际工业场景中的故障。电路主要由直流电源、并联的电容组、续流二极管和待测IGBT样品构成。测试时，先将电容组充电至特定能量等级（通过电压控制），然后通过门极驱动开启IGBT，使其进入饱和区。电流迅速上升并维持在峰值，直到IGBT结温超过其本征或热极限而发生击穿，随后电容组储存的能量瞬间涌入器件。测试过程中，使用罗氏线圈记录通过IGBT的电流，使用高压差分探头记录IGBT两端的电压。测试后的残余电压被用于判断失效模式：高残余电压（约40V）对应OCFM，接近零的残余电压对应SCFM。研究特别强调了测试旨在模拟真实工业场景，因此放电波形未加控制，由放电回路的寄生参数决定。研究还通过一个典型电压源型DC-DC换流器的示例，估算出单个IGBT在模块均匀失效时可能面临约680J的能量，因此将750J设定为满足实际工业应用的基准能量水平进行测试。
第三，结构表征。 过电流测试后，对失效样品进行微观结构分析，以探究失效机理。 1. 铝线键合和柔性PCB互连样品： 使用台式扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDXS）分析系统，对样品表面形貌、抛光截面的微观结构及元素成分进行观察和分析。制备抛光截面时，样品先被金刚石锯切割，然后用环氧树脂镶嵌，最后从600目砂纸逐步打磨抛光至1μm金刚石悬浮液级别。 2. 三明治结构样品： 对发生SCFM和OCFM的样品，使用三维X射线计算机断层扫描（3D X-ray CT）成像系统进行分析。这可以精确计算失效区域（尤其是因熔化和/或汽化而去除的材料）的体积。体积计算使用公开软件ImageJ通过图像分析方法完成。这些结果用于深入理解组分材料的相变过程并估算可能的最高温度。
本研究取得了详实而系统的结果，这些结果环环相扣，共同支撑了最终结论。
过电流测试结果 汇总于表1，清晰地展示了失效模式对能量水平和互连技术的依赖性。对于铝线键合样品，在基准能量750J及以下的500J、250J、125J下均发生OCFM，所有载流铝线均被烧断或吹走；只有当能量进一步降低至62.5J时，铝线得以保留，样品才实现SCFM。对于柔性PCB互连样品，实现SCFM的能量阈值在312.5J至375J之间。对于三明治结构样品，在基准能量750J下成功实现了SCFM；但当能量加倍至1500J时，结构完整性丧失，转变为OCFM。测试波形图显示，不同互连技术样品在发生OCFM和SCFM时的残余电压特征相似（~40V vs. ~0V），但实现SCFM所需的能量阈值存在显著差异：铝线键合最低（62.5J），柔性PCB互连次之（~312.5J），三明治结构最高（750J）。此外，在相近能量水平下，柔性PCB互连样品的电流饱和时间明显长于铝线键合样品，这归因于前者更大的接触/导电面积导致电阻更低、热容更大，需要更长时间使结温达到极限。
结构表征结果 揭示了SCFM得以维持的物理机制和测试过程中的剧烈相变。 1. 铝线键合样品： SEM分析表明，发生SCFM的样品中，铝线部分连接到残余的硅芯片，部分连接到延伸到下方焊料或铜基板的凝固结构中。该凝固结构呈现树枝晶形态，EDXS显示其白色相富含Sn和Al。重要的是，在残余的硅芯片内部观察到裂纹，并被Sn-3.5Ag焊料填充。研究指出，正是凝固结构内部的网状白色导电相（Sn、Al、Cu）以及填充在硅裂纹中的Sn-3.5Ag焊料，形成了连接残余铝线和底部焊料接点的导电通道，从而在器件物理结构严重损坏后仍能维持电气上的短路路径。 2. 柔性PCB互连样品： SEM图像显示，样品表面形成了深度不一的凹坑，坑壁覆盖着一层凝固结构。该结构被鉴定为亚共晶组织，黑色相为Si，白色相主要含Ag及少量Cu、Al。发生SCFM的样品中白色相比例较低，且柔性PCB与残余硅表面仍保持一定连接。 3. 三明治结构样品： 3D CT成像定量给出了材料损失体积。在750J能量下发生SCFM的样品中，硅IGBT和底部DBC基板铜层中形成了一个大凹坑，计算出的材料损失体积分别为24.0 mm³和4.4 mm³。在1500J能量下发生OCFM的样品中，则形成了多个较小的凹坑，硅和铜的损失总体积更大。基于这些体积数据、电流脉冲持续时间（SCFM约44ms，OCFM约7ms）以及铜和硅的热物理性质（密度、比热容、熔点、沸点、熔化和汽化潜热），研究进行了理论估算。计算表明，750J和1500J的能量足以使相应体积的硅和铜不仅熔化，而且部分汽化。尤其是，能量足以使硅达到其沸点（3265°C）。这证实了在过电流测试过程中，确实同时形成了液相和气相，且最高温度可达硅的沸点。对于铝线键合和柔性PCB互连样品，在较低能量下，最高温度也至少达到了铝（2519°C）或银（2162°C）的沸点。
基于以上结果与讨论，本研究得出了明确的结论： 1. IGBT模块的过电流失效模式（OCFM或SCFM）取决于测试能量水平和所采用的互连技术。 2. 标准铝线键合技术只能在很低能量（62.5J）下实现SCFM。柔性PCB互连和三明治结构技术可以显著提高实现SCFM的能量阈值。 3. 三明治结构IGBT样品在750J的基准能量水平下可以实现SCFM，这能够满足实际工业应用的需求，因此为需要故障至短路行为的应用提供了一种比压接技术更简单、成本更低的解决方案。 4. 在发生SCFM的样品中，连续的导电路径是由凝固结构内部的网状白色导电相（如Sn、Ag、Al、Cu）以及填充在残余硅芯片裂纹中的Sn-3.5Ag焊料共同形成的，这些导电通道将残余的互连材料（铝线或柔性PCB）与底部的焊料接点连接起来。 5. 在过电流测试中，特别是在较高能量下，硅、铜等材料会发生熔化和汽化，最高温度可达硅的沸点（3265°C）。
本研究的亮点和价值在于： 1. 重要的研究发现： 首次系统性地实验验证并比较了三种相对简单的互连技术对IGBT模块过电流失效模式的影响，明确了三明治结构在实现高能量SCFM方面的优势。定量分析了失效后的微观结构，揭示了即使在严重损坏后仍能维持短路路径的物理机制（网状导电相和焊料填充裂纹）。 2. 新颖的研究方法： 采用了从实际应用场景反推基准测试能量（750J）的方法，使研究结论具有明确的工程指导意义。综合运用了电学测试（过电流脉冲）、微观分析（SEM/EDXS）和三维无损成像（3D X-ray CT）等多种表征手段，并结合材料热物理性质进行理论计算，深入阐释了失效过程中的相变和温度极值，形成了完整的研究闭环。 3. 明确的应用价值： 针对电力系统对IGBT模块故障至短路行为的迫切需求，提出并验证了一种比现有压接技术更简单、更具成本效益的三明治结构解决方案，对高可靠性、远程维护困难的电力电子装备（如海上风电变流器、高压直流输电系统）的设计具有直接的参考价值。 4. 对失效机理的深入洞察： 研究不仅停留在现象观察，还深入探讨了不同互连技术影响失效模式的根本原因，如接触面积、热质量、机械约束等因素的作用，并估算了故障过程中的极端温度条件，加深了对IGBT模块在极端电热应力下失效物理的理解。