功率半导体器件IGBT中Al金属化层损伤机理与疲劳寿命模型研究

High power IGBT modules for industrial and traction applications are operated under severe working conditions and in harsh environments. Therefore, the reliability and lifetime of such devices is of great importance. Micro- and macro-mechanical behaviors of the Al-based metallization layer are investigated in this project by experimental, theoretical and numerical methods. In the project, the evolution of the microstructure of the Al metallization layer under power cycling test is monitored experimentally, and the relationship among temperature, cycle times and the microstructure of the Al metallization is investigated. Based on the experimental observations, a qualitative model including micro- and macro-mechanisms responsible for electrothermal ageing of the Al metallization is proposed. Failure analysis of Al metallization layers is carried out, and a model considering the effect of Al metallization for lifetime prediction of IGBT module is proposed. The models and methods derived finally are applied to analyze mechanical reliability of IGBT modules. Objectives of this project are to provide engineers on IGBT module technology with a clear picture of the micro- and macro-mechanical behaviors of the IGBT module, to provide models and tools for thermo-mechanical reliability design of IGBT module based devices.

针对功率半导体器件绝缘栅双极型晶体管（IGBT），采用实验、理论分析和数值模拟方法，研究IGBT芯片表面Al金属化层的微观-宏观力学行为，建立其分析模型。主要研究内容为：实验研究功率循环过程中Al金属化层微结构的演化规律，建立温度、循环次数与Al金属化层微结构演化之间的关系；发展一种可以描述Al金属化层微结构特点和力学行为的微观力学模型和宏观计算模型；提出Al金属化层失效评价指标和方法，建立考虑Al金属化层影响的IGBT模块疲劳寿命预测模型。将上述成果集成，应用于IGBT模块的热机械可靠性分析。研究目标为：给出Al金属化层在主要服役条件下力学行为的清晰图像，为IGBT模块的可靠性设计提供重要的科学依据、分析模型和工具，为IGBT模块产品的热机械可靠性设计提供建议。

绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor—IGBT）是实现电能转换和控制的最先进电力电子器件之一。功率循环过程中，IGBT模块的主要失效机制有芯片表面Al金属化层失效、键合引线失效、焊料疲劳和衬底分层等。本项目重点关注的是功率循环过程中IGBT芯片表面Al金属化层的失效机制和IGBT模块寿命预测问题。采用实验、理论分析和数值模拟方法，研究了功率循环过程中IGBT芯片表面Al金属化层的微观-宏观力学行为。具体工作包括：搭建完成IGBT模块功率循环实验平台，该实验平台可实现IGBT模块的DC功率循环实验、PWM功率循环实验；采用红外热像仪对IGBT芯片表面温度场进行了观测，发展了同步测温法、延迟测温法以及变积分时间测温法，实现了对低频、高频等不同电流载荷条件下IGBT芯片表面温度场观测及其影响的研究；建立了IGBT模块的电-热-机械有限元分析模型，并基于实验研究、有限元模拟分析了服役条件下IGBT芯片表面温度波动对键合区域应力的影响规律；实验研究了功率循环过程中Al金属化层表面粗糙度演化规律，采用实验和数值模拟分析了Al金属化层表面粗糙度对其电阻的影响；实验研究了功率循环过程中Al金属化层微结构的演化规律，包括表面形貌演化、晶向的改变、Si原子在Al金属化层中的分布规律、Al金属化层内物相与位错分布；发展了一套IGBT模块功率循环实验仿真系统，包括建立IGBT模块的电热耦合模型、热力耦合模型以及电阻/热阻退化模型，以上三个模型共同构成IGBT模块功率循环实验仿真系统，用于代替周期较长的功率循环实验，对IGBT模块的可靠性实现快速评估，降低物理实验的时间成本和经济成本。上述研究成果给出了Al金属化层在主要服役条件下力学行为的清晰图像，为IGBT模块的可靠性设计提供重要的科学依据和分析模型和工具，所建立的IGBT模块寿命评估方法可为IGBT模块产品的热机械可靠性设计提供建议。