一、封裝結構

為解決高功率密度下 IGBT 功率模塊散熱問題，1993 年日本富士公司提出 u-stack 封裝，經(jīng)過多年的發(fā)展，形成了彈簧式和直接接觸式兩種壓接封裝。直接壓接封裝是通過兩個鉬片將芯片的發(fā)射極和集電極引出，柵極通過一個小探針引 出。因此，直接壓接封裝具有雙面散熱通道，但由于各部件間均為剛性連接，結構和材料更易疲勞。彈簧壓接封裝則是通過蝶形彈簧和柵極連接板將發(fā)射極和柵極引出。這種封裝減少了柵射極的熱通路截面積，因此散熱能力比直接壓接型封裝弱，而由于彈簧的存在，壓力均衡性更優(yōu)，材料不易受損。

與焊接型封裝相比，壓接型封裝具有寄生電感低和失效短路的優(yōu)點，但由于循環(huán)熱應力和多層結構 CTE 不匹配，會產(chǎn)生微動磨損失效、接觸面燒蝕失效、彈簧失效和柵極氧化層失效現(xiàn)象。對于多芯片集聯(lián)的 IGBT 功率模塊，各個 IGBT 功率模塊所處的熱、機械和電磁環(huán)境差異性會導致模塊內(nèi)部熱和電流分布不均衡，從而使橫向結構中一些位置更容易失效。

二、 壓接 IGBT 功率模塊封裝失效機理

1、微動磨損失效

壓接封裝的電氣連接主要依靠連接層之間的壓力，因此在熱應力作用下，各層出現(xiàn)水平摩擦現(xiàn)象，導致接觸面粗糙度增大，引發(fā)電阻和熱阻增大，使得溫度梯度增大加重摩擦，形成正反饋循環(huán)。長期處于這種情況下，會導致壓接封裝接觸脫離，造成器件失效。

2、接觸面燒蝕失效

燒蝕是指由于芯片微小電弧所導致的材料表面出現(xiàn)消融損傷的現(xiàn)象。在壓接封裝中產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，界面間出現(xiàn)不良接觸，導致電場分布不均衡，可引起局部放電。

3、彈簧失效

對于彈簧壓接封裝，彈簧會隨使用時長的增加產(chǎn)生疲勞、應力松弛和磨損的現(xiàn)象。常見的彈簧失效是柵極接觸彈簧發(fā)生應力松弛，從而使得柵極探針與芯片接觸失良，造成電阻和熱阻增大，后發(fā)生失效。

4、柵氧化層失效

無論何種封裝，IGBT 芯片柵極表面都存在氧化層。由于封裝過程中的壓力不均衡或是在功率循環(huán)往復過程中熱應力的作用，致使探針或鉬片擠壓柵氧化層而使之損傷。柵氧化層發(fā)生損傷后，柵射電阻下降，漏電流上升，導通壓降上升，芯片產(chǎn)熱進一步加劇，熱應力加大，形成正向循。

5、多芯片封裝失效

當壓接封裝出現(xiàn)短路時，芯片表面的 Al 層會在高溫高壓下與 Si 形成鋁硅合金并開始與之前的材料互 融。此 時，IGBT 功率模塊導通不受柵極控制。因此，在冗余設計中，壓接封裝更適合串聯(lián)連接。為實現(xiàn)大功率場合下應用，多采用串聯(lián)集成封裝。此時需要嚴格控制每單個芯片的厚度工差，使其壓力分布均勻。由于集膚效應和臨近效應，在邊緣和角落的 IGBT 功率模塊會承受更大的電流。且模塊部分角落的芯片溫度高于中心芯片的溫度。這種情況的存在會使得封裝基板發(fā)生翹曲，增加熱阻，加劇失效。在串聯(lián)情況下，某一芯片的失效，需要其他未失效芯片承受更大的電壓和電流，使得整個模塊更易失效。