SiC功率模块引线键合可靠性分析与测试全流程详解

SiC功率模块引线键合可靠性分析与测试全流程详解

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网易

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https://m.163.com/dy/article/JIQ6DP9K05533459.html

随着第三代半导体技术的迅猛发展，碳化硅（Silicon Carbide, SiC）功率模块因其卓越的性能在工业生产中得到了广泛的应用。SiC材料以其高禁带宽度、高击穿场强、高热导率和高载流子饱和速度等特性，使其在大功率领域中具有显著优势。然而，随着应用的深入，SiC功率模块的可靠性问题逐渐成为业界关注的焦点。特别是在电力电子转换过程中，功率器件的老化问题尤为突出，其中键合线的失效占比高达70%，严重影响了SiC功率模块的可靠性。

在SiC功率模块中，引线键合作为连接芯片与外部电路的关键技术，其可靠性直接关系到整个模块的性能和寿命。由于SiC芯片体积小、可键合面积减少，加之更大的功率密度带来的更高交变温度荷载，使得键合线和焊料层在长期服役下容易出现老化现象。因此，对SiC功率模块引线键合的可靠性进行深入分析和研究，对于提高整个模块的性能和可靠性具有重要意义。

本文旨在通过对SiC功率模块引线键合技术的可靠性分析，探讨影响键合可靠性的关键因素，并提出相应的优化策略。我们将对其可靠性测试进行综合分析，以期为SiC功率模块的设计和制造提供科学依据和技术支持。

SiC 功率模块引线键合可靠性分析

SiC功率模块引线键合可靠性分析是指对碳化硅（SiC）功率模块中引线键合技术的可靠性进行研究和分析的过程。这项分析关注于评估和提高SiC功率模块在长期运行中的稳定性和耐久性，特别是在大功率应用中。以下是对这一分析的几个关键点的概述：

1. 键合技术的重要性：SiC功率模块因其高功率密度和高频特性，在工业生产中得到了广泛应用。然而，功率器件在电力电子转换过程中最易老化，其失效占比超过30%，其中键合线失效占比高达70%。因此，对SiC功率模块键合强度及其可靠性的研究具有重大意义。

2. 键合参数优化：通过单因素实验和正交试验对比法，研究者寻求工业生产中不同键合材料的最优参数区间。这些参数包括键合功率、键合压力和键合时间，它们对键合强度有显著影响。

3. 材料对比：研究表明，Cu键合线的最高温度、最大等效应力均高于Al键合线，但受材料属性影响，Cu键合线的最大塑性应变仅为Al键合线的1/2。根据功率循环实验，Cu键合线的寿命约为Al键合线的4倍。

4. 电热性能分析：通过建立器件的电热耦合模型并进行数值仿真实验，发现键合线老化会引起正向导通压降上升和芯片表面综合温度上升，测量得到的瞬态热阻也会增大。

5. 可靠性测试：包括功率循环实验、剪切力实验等，用以评估键合线的可靠性和机械强度。例如，高键合功率的键合寿命是低超声功率键合的1.5~3倍。

如何进行可靠性测试？

常用检测设备

1. Beta S100 推拉力测试机

Beta S100 推拉力测试机是一款专用于微电子引线键合后引线焊接强度测试、焊点与基板表面粘接力测试及其失效分析领域的动态测试仪器。

• 测试功能

• 用于微电子引线键合后的引线焊接强度测试。

• 用于焊点与基板表面粘接力的测试。

• 用于失效分析。

• 测试类型

• 晶片推力测试。

• 金球推力测试。

• 金线拉力测试。

• 技术特点

• 采用高速力值采集系统。

• 根据测试需求更换相对应的测试模组，系统自动识别模组量程。

• 灵活应用于不同产品的测试。

• 每个工位独立设置安全高度位及安全限速，防止误操作损坏测试针头。

• 操作特性

• 测试动作迅速。

• 测试结果准确

• 适用面广泛。

• 应用领域

• 适用于半导体IC封装测试。

• 适用于LED封装测试。

• 适用于光电子器件封装测试。

• 适用于PCBA电子组装测试。

• 适用于汽车电子领域。

• 适用于航空航天领域。

• 适用于军工领域。

• 其他应用

• 可用于各种电子分析及研究单位的失效分析。

• 适用于各类院校的教学和研究。

检测类型

检测方法（剪切力测试）

1. 设备与配件检查
   检查SiC功率模块测试机及其所有配件，确保设备完整且功能正常。
   确认测试机、剪切刀和夹具等关键部件均已完成校准，以确保测试结果的精确性。

2. 模块安装与电源连接
   将待测试的SiC功率模块正确安装到推拉力测试机上。
   连接电源，并启动测试机，等待系统自检和模块初始化完成。
   检查所有指示灯和显示屏是否正常工作，确保系统准备就绪。

3. 剪切刀的安装与校准
   根据测试的具体需求，选择适合的剪切刀。
   将剪切刀安装到推拉力测试机的指定位置，并进行牢固锁定，以保证测试的精确度。

4. 测试夹具固定
   将SiC功率模块精确地放置在测试夹具中，并确保其位置正确。
   将夹具安装到测试机的工作台上，并使用固定螺丝将其紧固，模拟实际使用中的固定状态。

5. 测试参数的设定
   在测试机的软件界面上输入必要的测试参数，包括但不限于测试方法、传感器选择、测试速度、目标力值、剪切高度和测试次数。
   完成参数设置后，保存并应用这些参数，确保测试能够按照预定条件执行。

6. 测试执行
   在显微镜下确认SiC功率模块和剪切刀的相对位置正确无误。
   启动测试程序，密切监视测试过程中的动作，确保一切按照设定的参数进行。
   如遇任何异常情况，立即停止测试以避免进一步的损坏。

7. 结果观察与分析
   测试完成后，对SiC功率模块的破坏情况进行观察，并进行失效分析。
   记录剪切力数据，包括剪切力值、剪切位置、引线材料、键合方法及被键合的材料，以及剪切强度和剪切类别代号。
   对每个被剪切过的键合点，都应记录规定的类别代号，并确定分离模式。