關(guān)若飛，賈強(qiáng)，趙瑾，張宏強(qiáng)，王乙舒，鄒貴生，郭福,4

(1.北京工業(yè)大學(xué),北京,100124；2.北京航空航天大學(xué),北京,100191；3.清華大學(xué),北京,100084；4.北京聯(lián)合大學(xué),北京,100101)

0 序言

功率器件作為電力電子系統(tǒng)中的核心部分，起到功率轉(zhuǎn)換、功率放大、功率開(kāi)關(guān)、線路保護(hù)和整流等作用，被廣泛應(yīng)用于電力輸送、高鐵、電動(dòng)汽車、工業(yè)控制等領(lǐng)域，對(duì)功率器件的性能提出更高的要求.以SiC 為代表的第三代半導(dǎo)體材料由于具有較寬的禁帶寬度(大于2.3 eV)、更低的本征載流子濃度(10～ 35 個(gè)數(shù)量級(jí))、更高的電擊穿場(chǎng)(4～20 倍)、更高的熱導(dǎo)率(3～ 13 倍)和更大的飽和電子漂移速度等諸多優(yōu)越性，成為了支撐高性能功率器件相關(guān)產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級(jí)的核心材料和競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)[1].

與普通電子器件相比，高性能功率器件除了要面臨更惡劣的外部環(huán)境外，還需要承受更高的電壓、電流變化率和功率密度，電路中存在的寄生電感在快速變化的電流中極易產(chǎn)生電壓過(guò)沖和振蕩現(xiàn)象，造成電壓應(yīng)力、電磁干擾和損耗的增加[2]，且更高的功率密度也意味著器件將承受更高的結(jié)溫.因此，器件的封裝可靠性已經(jīng)成為了限制器件性能的重要制約因素.

在實(shí)際工況下，功率器件的壽命有時(shí)可達(dá)數(shù)十年，對(duì)于功率器件的可靠性測(cè)試需要通過(guò)加速老化試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn).其中功率循環(huán)試驗(yàn)(power cycling test)作為考核功率器件可靠性最重要的試驗(yàn)，通過(guò)外部電流的導(dǎo)通和斷開(kāi)模擬器件在實(shí)際工況的開(kāi)關(guān)過(guò)程，以器件中的芯片為熱源，在不改變失效機(jī)理的基礎(chǔ)上加速老化.功率循環(huán)試驗(yàn)中器件在循環(huán)的外部負(fù)載電流下，結(jié)溫發(fā)生周期性波動(dòng)，由于各層材料間存在熱膨脹系數(shù)不匹配引發(fā)器件的失效.

近些年，隨著第三代半導(dǎo)體在新能源汽車、移動(dòng)通信及軌道交通等領(lǐng)域日益廣泛的應(yīng)用，依托功率循環(huán)測(cè)試技術(shù)的功率器件可靠性分析與失效行為等方面的研究得到了大量學(xué)者的廣泛關(guān)注，相關(guān)測(cè)試技術(shù)與研究也取得了新的進(jìn)展.文中從功率器件的封裝結(jié)構(gòu)入手，介紹了器件的結(jié)構(gòu)和對(duì)可靠性至關(guān)重要的芯片貼裝技術(shù)和引線鍵合技術(shù)，同時(shí)圍繞功率循環(huán)的原理、參數(shù)監(jiān)測(cè)和失效機(jī)理進(jìn)行分析，最后對(duì)提高功率器件可靠性及功率循環(huán)檢測(cè)準(zhǔn)確性的潛在研究方向進(jìn)行了展望.

1 功率模塊封裝

1.1 功率模塊封裝結(jié)構(gòu)

典型的功率模塊結(jié)構(gòu)如圖1 所示[3]，底部通常使用釬料連接散熱底板和表面覆金屬的陶瓷基板，一般是覆銅陶瓷基板(direct-bonded copper，DBC).DBC 板為芯片提供電氣絕緣、耐蝕保護(hù)、機(jī)械支撐、散熱通道等，其中以Al2O3，AlN 和Si3N4陶瓷基板應(yīng)用最為廣泛.DBC 上側(cè)通過(guò)釬料和功率芯片連接，芯片與外部端子之間由引線鍵合連接，整個(gè)模塊用環(huán)氧樹(shù)脂塑封料進(jìn)行塑封.底板通常采用Cu 或AlSiC 作為底座，并通過(guò)熱擴(kuò)散使整個(gè)模塊溫度分布均勻.功率模塊外部通過(guò)塑封將芯片與外界環(huán)境污染和濕氣隔絕，常用的塑封劑主要成分是二氧化硅和環(huán)氧樹(shù)脂.目前，歐洲制造商生產(chǎn)的功率模塊中70%～ 80%均屬于該結(jié)構(gòu)，在亞洲制造的模塊中應(yīng)用也很普遍.

圖1 典型功率模塊結(jié)構(gòu)示意圖[3]Fig.1 Sectional view of typical power module structure

隨著對(duì)高功率密度和電壓等級(jí)需求的增加，傳統(tǒng)功率器件的封裝結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足要求.傳統(tǒng)的硅芯片器件最高結(jié)溫不超過(guò)175 ℃，而第三代半導(dǎo)體器件中如SiC 功率器件理論上已經(jīng)可以適應(yīng)300 ℃的工作結(jié)溫，還具有更高的開(kāi)關(guān)速率和更高的封裝密度，這些特點(diǎn)對(duì)器件的寄生電感、散熱能力和熱機(jī)械可靠性[4]等方面提出了更高的要求.目前圍繞功率器件的封裝需求，研究人員在傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了一些新的改進(jìn)，進(jìn)一步提升了功率器件的性能.

1.1.1 無(wú)鍵合線單面結(jié)構(gòu)

功率模塊封裝大多采用引線鍵合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模塊內(nèi)電流導(dǎo)通，然而它的缺點(diǎn)在于，需要在基板上增加接合區(qū)域以形成互連路徑，并產(chǎn)生寄生電感降低器件可靠性，SiC 器件的高開(kāi)關(guān)速度放大了該影響，傳統(tǒng)鍵合線連接方式成為了限制負(fù)載電流能力和可靠性的瓶頸，因此無(wú)鍵合線的封裝設(shè)計(jì)成為了改善功率模塊封裝結(jié)構(gòu)的重要研究方向.

Ikeda 等人[5]為實(shí)現(xiàn)高密度、高可靠性的SiC功率器件封裝，取消了鍵合線和底板，采用銅針和印制電路板(printed circuit board,PCB)代替鍵合線進(jìn)行連接，在陶瓷表面設(shè)計(jì)了厚銅塊，從而增加導(dǎo)熱速率，通過(guò)PCB 板和DBC 板產(chǎn)生的層疊電流抵消部分電感，并采用新型環(huán)氧樹(shù)脂代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅膠，結(jié)構(gòu)如圖2 所示.由于銅材料的電阻更低，并且電路徑更短，芯片表面上的這些銅針連接比傳統(tǒng)的鍵合線結(jié)構(gòu)能夠承受更大的電流，而剛性的環(huán)氧樹(shù)脂與軟的硅膠相比可以降低每個(gè)循環(huán)中的應(yīng)變幅度.

圖2 采用PCB 板取代鍵合線的封裝結(jié)構(gòu)示意圖[5]Fig.2 Sectional view of packaging structure using PCB instead of bonding wire

Stabach 等人[6]采用了大面積的薄金屬板代替鍵合線與芯片連接，其金屬板刻有與芯片匹配的圖案，該結(jié)構(gòu)除了降低電感和體積之外，比起鍵合線需要逐點(diǎn)進(jìn)行連接，金屬板只需一次連接，封裝效率也得到了提高.Stockmeier 等人[7]采用SKiN 布線技術(shù)，即采用兩側(cè)都有圖案化金屬層的柔性電路板代替鍵合線進(jìn)行互連，柔性板將模塊分為上下兩層，其中上層為邏輯側(cè)，主要承受輔助和感應(yīng)信號(hào)，下側(cè)為功率側(cè)，承載負(fù)載電流，并用銀顆粒燒結(jié)代替?zhèn)鹘y(tǒng)釬料，結(jié)構(gòu)如圖3 所示，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于柔性電路板與芯片的接觸面積遠(yuǎn)大于引線鍵合的點(diǎn)互連，熱傳導(dǎo)得到改善，因此具有更高的功率循環(huán)壽命，且柔性互連占用空間更小，使模塊體積得以精簡(jiǎn).

圖3 SKiN 封裝橫截面示意圖[7]Fig.3 Sectional view of SKiN packaging

傳統(tǒng)鍵合線工藝引入較大的寄生電感，在面對(duì)高性能功率器件大的電流變化率時(shí)會(huì)引起電壓過(guò)沖、振蕩等問(wèn)題.取消鍵合線連接可降低寄生電感，還使器件上表面成為潛在的散熱通道，為解決高性能器件散熱問(wèn)題提供了方向.

1.1.2 雙面散熱結(jié)構(gòu)

隨著器件功率密度和結(jié)溫的上升，提升器件散熱能力成為了提高可靠性的關(guān)鍵之一，傳統(tǒng)器件由于采用引線鍵合技術(shù)，上表面無(wú)法作為散熱通道.將上表面作為散熱通道可增強(qiáng)器件的散熱能力、降低結(jié)溫進(jìn)而提升可靠性，成為改善封裝可靠性的途徑之一.

Zhu 等人[8]提出了一種利用壓力接觸取代鍵合線和釬料的press-pack 封裝方法，如圖4 所示，該方法引入了被稱為“Fuzz Button”的微型柔性壓針，在使器件中的壓力均勻分布的同時(shí)還降低了寄生電感；該結(jié)構(gòu)中，SiC 芯片壓接在鉬基板上，“Fuzz button”將芯片柵極和源極與上基板連接，上下兩層冷卻采用液冷，經(jīng)仿真得到的冷卻效果優(yōu)異，在總耗散功率為60 W 時(shí)最大結(jié)溫僅為85 ℃.

圖4 Press -pack 封裝示意圖[8]Fig.4 Sectional view of press-pack packaging

Liang[9]采用平面鍵合(planar-bond-all，PBA)的方式取代了鍵合線，實(shí)現(xiàn)了芯片與外部的互連，并在芯片兩側(cè)均采取DBC 連接，兩DBC 外側(cè)均與熱沉連接，以這種方式實(shí)現(xiàn)了雙通道散熱，模塊結(jié)構(gòu)示意如圖5 所示，經(jīng)測(cè)試得到該結(jié)構(gòu)熱阻比傳統(tǒng)單面散熱結(jié)構(gòu)降低了38%，說(shuō)明其散熱能力得到提升.

除上述設(shè)計(jì)外，還有雙金屬基復(fù)合基板雙面散熱、壓接封裝雙面散熱、引線框架連接雙面散熱等多種實(shí)現(xiàn)雙散熱通道的封裝設(shè)計(jì).具有更多維度散熱通道的封裝結(jié)構(gòu)也在開(kāi)發(fā)當(dāng)中，如Boteler 等人[10]設(shè)計(jì)了可以四面散熱的封裝結(jié)構(gòu)，這為未來(lái)通過(guò)封裝結(jié)構(gòu)改善器件散熱性能提供了新思路.

1.1.3 多層陶瓷基板堆疊

傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)在陶瓷板、陶瓷板表面金屬和塑封劑三結(jié)合點(diǎn)處具有峰值電場(chǎng).SiC 功率器件高功率密度的特點(diǎn)會(huì)增加電場(chǎng)密度，因而在峰值電場(chǎng)處會(huì)有擊穿風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)生局部放電，而重復(fù)的局部放電會(huì)導(dǎo)致絕緣失效，從而降低功率模塊壽命[11].

Dimarino 等人[4]采用了具有更好絕緣性能和更好的熱循環(huán)能力的DBA 板代替DBC 板，其中陶瓷層選用1 mm 厚AlN，通常認(rèn)為該厚度AlN 具有足夠的絕緣能力，但在面對(duì)SiC 功率模塊的峰值電場(chǎng)處仍有可能發(fā)生擊穿，因此該研究通過(guò)將兩層DBA 板以燒結(jié)銀作為連接層進(jìn)行連接，使得峰值電場(chǎng)降低了27%，該結(jié)構(gòu)另一特點(diǎn)是取消了底板，使DBA 基板直接進(jìn)行冷卻.基板的堆疊雖然會(huì)導(dǎo)致芯片散熱熱阻增加，但基板直接冷卻和取消厚度較大的底板帶來(lái)的熱阻改善可以實(shí)現(xiàn)整體熱阻的降低.經(jīng)穩(wěn)態(tài)熱仿真得到在單個(gè)MOSFET 芯片功率損失200 W，換熱系數(shù)5 000 W/(m2·K)條件下，芯片結(jié)溫與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比降幅可達(dá)15%，表明該結(jié)構(gòu)在改善了峰值電場(chǎng)問(wèn)題的同時(shí)也具備更良好的散熱能力.

Tanimoto 等人[12]設(shè)計(jì)了圖6 的模塊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有3 個(gè)金屬層和兩個(gè)陶瓷層，采用Au-Sn 釬料將基板焊接到銅底板上，通過(guò)中間金屬層的反平行電流，有效地降低了寄生回路電感，并且僅略微增加結(jié)溫(升高2 ℃)，對(duì)散熱的影響基本可忽略；Chen 等人[13]則提出了一種混合封裝的設(shè)計(jì)，將芯片嵌入PCB 板，再將PCB 板焊接在DBC 板上，如圖7 所示，該結(jié)構(gòu)為電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供額外的自由度，通過(guò)優(yōu)化柵極連接、電流回路和驅(qū)動(dòng)位置從而降低寄生電感.

圖7 混合封裝結(jié)構(gòu)示意圖[13]Fig.7 Sectional view of hybrid package

1.2 芯片貼裝技術(shù)

功率器件的封裝材料需要面對(duì)循環(huán)的溫度變化帶來(lái)的熱應(yīng)力，傳統(tǒng)的硅器件芯片貼裝材料主要包括無(wú)鉛釬料和導(dǎo)電膠，但它們的熔點(diǎn)和SiC 芯片可承受溫度相比均過(guò)低，無(wú)法滿足SiC 器件的應(yīng)用需求[14].目前適用于SiC 等高性能功率器件的耐高溫芯片貼裝方法主要有傳統(tǒng)釬焊連接、瞬態(tài)液相連接、納米金屬燒結(jié)[14-15].

1.2.1 傳統(tǒng)釬焊連接

目前已被研究并得到一定應(yīng)用的無(wú)鉛高溫釬料主要包括Zn-Al 基和Au 基等.

Zn-Al 合金共晶點(diǎn)溫度為381 ℃，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能，且Zn 和Al 元素自然界儲(chǔ)量豐富，成本低廉，是具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)的一類釬料，但是該類釬料連接溫度過(guò)高(高達(dá)400 ℃)，且Zn 元素易與氧結(jié)合，降低釬料的潤(rùn)濕性，目前對(duì)于該釬料通常采用添加微量元素如In 和Ga 等元素改善其潤(rùn)濕性.Yamada 等人[16]通過(guò)RF 等離子體去除Zn-Al焊片表面的氧化物，在真空條件下濺射沉積50 nm 厚度的銅薄膜，經(jīng)過(guò)該處理的焊片得到的接頭與未經(jīng)處理得到的接頭相比，孔隙和裂紋數(shù)目減少，說(shuō)明潤(rùn)濕得到改善.Tanimoto 等人[17]通過(guò)向Zn-5Al 合金加入少量Ge 元素改善潤(rùn)濕性，得到了在-40～ 250 ℃下進(jìn)行熱循環(huán)3 000 次后依舊具有18.5 MPa 抗剪強(qiáng)度的接頭，但是目前較少有研究改變其較高的連接溫度，該釬料進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用，仍是有待克服的難題.

金基釬料耐腐蝕性強(qiáng)，與銅和鎳潤(rùn)濕性好，且高溫下較為穩(wěn)定，隨著高性能功率器件的發(fā)展受到越來(lái)越多的關(guān)注，目前應(yīng)用較多的金基釬料主要包括Au-Si，Au-Sn 和Au-Ge 等.Au-Si 釬料中Si 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.85%，共晶溫度363 ℃，具有優(yōu)秀的抗電遷移能力和導(dǎo)熱導(dǎo)電性；Au-Sn 釬料中的Sn 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，共晶溫度278 ℃，抗氧化性能強(qiáng)，在釬焊過(guò)程中無(wú)需助焊劑，因而符合部分高端電子產(chǎn)品無(wú)助焊劑的需求；Au-Ge 釬料中Ge 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，共晶溫度361 ℃.對(duì)于更高服役溫度的釬料，Au-Ga，Au-Ag 和Au-In 等合金體系受到研究者的關(guān)注.Liu 等人[18]設(shè)計(jì)并制備了熔點(diǎn)為450 ℃的Au-30Ga 釬料，發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能，且在無(wú)助焊劑的情況下依舊保持良好的潤(rùn)濕性.

金基釬料存在的主要問(wèn)題在于，大多數(shù)金基釬料脆性高，難以使用常規(guī)釬料的制備方法生產(chǎn)，且金基釬料中金含量高，使用成本高[19].對(duì)于脆性較高的金基釬料，主要的制備方法包括疊層冷軋法、鑄造拉拔軋制法、急冷甩帶快速凝固法和電鍍沉積法等，可以通過(guò)增加其它合金元素，從而降低金含量實(shí)現(xiàn)降低釬料成本，除Si，Sn，Ge 和Ga 等元素外，其它合金元素和顆粒增強(qiáng)相對(duì)釬料組織和性能影響的研究仍有待完善.

1.2.2 瞬態(tài)液相連接

瞬態(tài)液相(transient liquid phase,TLP)連接最早主要用于連接鎳基、鈷基等熔點(diǎn)較高的耐高溫合金，原理是通過(guò)施加一定的壓力與溫度，使得低熔點(diǎn)釬料層熔化，溶質(zhì)原子以擴(kuò)散的方式與高熔點(diǎn)基體生成金屬間化合物(intermetallic compound，IMC)，保持一段時(shí)間直至釬料層全部轉(zhuǎn)化為IMC 層，該方法得到的全I(xiàn)MC 接頭耐高溫能力顯著強(qiáng)于傳統(tǒng)高溫釬料，但是其缺點(diǎn)是擴(kuò)散反應(yīng)速率較慢，且連接層成分在高溫下隨時(shí)間也會(huì)發(fā)生變化，需要進(jìn)行控制.

為解決該方法存在的問(wèn)題，Li 等人[20]結(jié)合超聲波處理的方法，利用超聲波帶來(lái)的高溫高壓可使高熔點(diǎn)材料快速溶解至液態(tài)釬料中，造成過(guò)飽和狀態(tài)，從而使冷卻過(guò)程中的IMC 生成速度大大提高.使用頻率為20 kHz，功率為750 W 的超聲波進(jìn)行連接，在常溫下僅用數(shù)秒就形成了全金屬化合物層；Hu 等人[21]則嘗試以另一種方式改進(jìn)這一缺點(diǎn)，制備了錫包裹銅顆粒制成的預(yù)成型片，如圖8 所示，在連接時(shí)加熱至錫熔點(diǎn)之上，使錫熔化并與銅擴(kuò)散生成金屬間化合物，在250 ℃下僅需保溫40 min 就獲得了可承受676 ℃工作溫度的接頭，該方法在增大了反應(yīng)接觸面的同時(shí)還減小了擴(kuò)散距離，進(jìn)而縮短了連接時(shí)間.

圖8 基于Cu@Sn 粒子制備的高溫剪切樣品的結(jié)合工藝示意圖[21]Fig.8 Schematic diagram of the bonding process for the high-temperature shearing sample based on a preform fabricated with Cu@Sn particles

1.2.3 納米金屬燒結(jié)

銀和銅具有良好的電、熱以及力學(xué)性能，但熔點(diǎn)較高，利用金屬納米顆粒的表面效應(yīng)，可在較低溫度(200～ 350 ℃)和一定壓力的輔助下實(shí)現(xiàn)耐高溫連接.目前提高納米焊膏的涂覆性、抗電遷移能力、降低連接壓力和溫度、提高連接速度以及減少成本是實(shí)際應(yīng)用中遇到的主要挑戰(zhàn)[22-23].在燒結(jié)過(guò)程中通常采用一定的壓力降低接頭中的孔隙率，防止接頭過(guò)早失效，但壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致芯片損壞.為解決壓力和孔隙率之間的矛盾，Yang 等人[24]將瞬態(tài)液相鍵合技術(shù)與燒結(jié)納米銀漿相結(jié)合，通過(guò)將銦箔放置在兩種納米銀漿之間，在保持高熔融溫度的同時(shí)，在燒結(jié)接頭和銅襯底之間制備出具有低孔隙率和良好潤(rùn)濕性的Ag-In 接頭，接頭制備方法如圖9 所示；Alayli 等人[25]將火花等離子體燒結(jié)工藝(SPS)應(yīng)用于納米銀燒結(jié)，使燒結(jié)壓力從原先的33 MPa 減小至3 MPa，并且燒結(jié)時(shí)間也由5 min 縮短至1 min.

圖9 Ag-In 接頭制備過(guò)程示意圖[24]Fig.9 Assembly process of the Ag-In joints

納米銅成本相比納米銀成本更低，且抗電遷移能力更強(qiáng)，但納米銅顆粒在空氣中極易氧化為相對(duì)穩(wěn)定的CuO/Cu2O，阻礙Cu 原子間的擴(kuò)散，且降低電導(dǎo)率和燒結(jié)密度，在其大規(guī)模應(yīng)用之前其不耐氧化的問(wèn)題仍有待解決.為提升其耐氧化能力，遲聰聰?shù)热薣26]用油酸、檸檬酸和聚乙烯吡咯烷酮對(duì)納米銅進(jìn)行表面包覆改性，成功制備出了在空氣中放置30 d 未出現(xiàn)氧化現(xiàn)象、在室溫到243 ℃之內(nèi)均能保持熱穩(wěn)定性的納米銅顆粒；Ji 等人[27]采用核殼結(jié)構(gòu)，通過(guò)在納米銅表面生長(zhǎng)出抗氧化能力強(qiáng)的薄殼，從而提升納米顆粒的抗氧化能力，制備了具有Cu-Ag 核殼結(jié)構(gòu)的納米顆粒，并通過(guò)超聲輔助在180 ℃下燒結(jié)得到了具有54.27 MPa 抗剪強(qiáng)度的接頭.徐瑜等人[28]通過(guò)甲酸溶液對(duì)納米銅顆粒進(jìn)行10 min 預(yù)處理，并在300 ℃、體積分?jǐn)?shù)為5%：95%的氫氣氬氣混合保護(hù)氣體下無(wú)壓燒結(jié)30 min，得到了抗剪強(qiáng)度為16.18 MPa 的接頭，該接頭在200 ℃空氣中經(jīng)過(guò)200 h 高溫老化試驗(yàn)，強(qiáng)度仍保持在9.38 MPa，驗(yàn)證了接頭在高溫大氣條件下的強(qiáng)度受氧化影響較小.

1.3 引線鍵合技術(shù)

功率模塊內(nèi)部的半導(dǎo)體芯片表面、DBC 表面金屬化層與某些功率端子之間需要互連實(shí)現(xiàn)電氣連接，鍵合線互連由于工序靈活、可適應(yīng)各種不同的布局，80%以上的半導(dǎo)體封裝均采用鍵合線互連[29].

引線鍵合常用的引線材料分別包括金、鋁和銅等，由于金線成本偏高，較少用于功率模塊之中.鋁線鍵合工藝成熟、成本較低，至今仍是應(yīng)用最為廣泛的鍵合方法，但鋁和半導(dǎo)體芯片的熱膨脹系數(shù)失配較大，在經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間服役后引起熱疲勞，使鍵合線產(chǎn)生裂紋甚至脫落，進(jìn)而導(dǎo)致模塊失效.與鋁相比，銅具有更高的屈服強(qiáng)度、更適應(yīng)芯片的熱膨脹系數(shù)、更高的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率等優(yōu)勢(shì)，因此采用銅鍵合線的模塊可以實(shí)現(xiàn)較高的功率循環(huán)壽命，但是銅線具有更高的硬度，芯片表面需制作較厚的銅層，且需要更高的鍵合壓力和能量才能完成連接，這些都可能使較薄芯片產(chǎn)生裂紋.此外，銅線難以與鋁金屬化的芯片表面進(jìn)行連接，需要額外對(duì)芯片進(jìn)行銅金屬化處理，如采用物理氣相沉積或化學(xué)電鍍處理，增加了工藝的復(fù)雜度，制約了銅鍵合線的應(yīng)用.鍍鋁銅線(Al-Cu)則不需要對(duì)芯片頂部采取額外的金屬化工藝，結(jié)合了銅優(yōu)異電學(xué)性能和鋁線適于批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，在降低了電阻率的同時(shí)增強(qiáng)了熱導(dǎo)率，顯著增強(qiáng)了其功率循環(huán)可靠性.

Ling 等人[30]對(duì)比了鋁、銅和鋁-銅鍵合線之間的功率循環(huán)壽命和鍵合工藝，得到銅的壽命是鋁的10 倍，鋁-銅鍵合線是鋁的3～ 4 倍.雖然鋁-銅鍵合線壽命低于銅，但其工藝要求和成本大大降低，芯片表面的金屬化難度減小.在銅鍵合線的工藝更加成熟前，鋁-銅鍵合可作為一種過(guò)渡互連方法.

除鍵合線材料之外，鍵合線的形狀、高度和長(zhǎng)度對(duì)功率器件的可靠性也有顯著的影響.Zhao 等人[31]通過(guò)有限元分析，對(duì)比了弧形、梯形、拋物線形鍵合線的電熱和熱機(jī)械行為，發(fā)現(xiàn)不同形狀鍵合線的溫度分布沒(méi)有明顯差異，但應(yīng)力差異很大，弧形、梯形、拋物線形鍵合線的最大應(yīng)力分別為93.22，76.73 和106.1 MPa，因此認(rèn)為可以通過(guò)優(yōu)化鍵合線形狀，提升功率器件的可靠性；Celnikier 等人[32]建立了鍵合線長(zhǎng)度、溫度、電流密度和鍵合線位移的電熱力學(xué)模型，計(jì)算了3 種長(zhǎng)度的鍵合線分別在3 種電流密度下的位移，發(fā)現(xiàn)最佳長(zhǎng)度應(yīng)隨著功率密度的增加而減少，通過(guò)測(cè)量實(shí)際鍵合線的位移，發(fā)現(xiàn)與該模型展現(xiàn)出了較好的一致性.

2 功率器件功率循環(huán)

與其它可靠性測(cè)試方法(如溫度循環(huán)試驗(yàn))相比，功率循環(huán)測(cè)試以芯片為熱源，更為接近實(shí)際工況，是評(píng)估器件可靠性的最主要方式.在功率循環(huán)中，被測(cè)器件與工況類似地被安裝在散熱器上，通入一定占空比的電流，使結(jié)溫Tvj在電流導(dǎo)通時(shí)間ton內(nèi)升溫到預(yù)期最大結(jié)溫Tvjmax，同時(shí)全程以水冷或風(fēng)冷的方式使得器件在電流斷開(kāi)時(shí)間toff內(nèi)降溫至最小結(jié)溫Tvjmin，由此帶來(lái)結(jié)溫的周期性變化，以提前誘發(fā)器件失效.

2.1 功率循環(huán)測(cè)試技術(shù)

2.1.1 控制參數(shù)及策略

在功率循環(huán)試驗(yàn)中，導(dǎo)致失效的直接激勵(lì)源是結(jié)溫變化ΔTvj和最大結(jié)溫Tvjmax，通常通過(guò)控制ton和負(fù)載電流Iload間接控制結(jié)溫變化和最大結(jié)溫.歐洲AQG 324 標(biāo)準(zhǔn)[33]規(guī)定功率循環(huán)中電流導(dǎo)通時(shí)間ton小于5 s 時(shí)考核的是芯片周圍連接處，稱為秒級(jí)循環(huán)；ton大于15 s 時(shí)考核的是遠(yuǎn)離芯片的連接處，稱為分鐘級(jí)循環(huán)；陳杰等人[34]研究了不同ton對(duì)于失效模式的影響和失效機(jī)理，控制器件在相同電熱環(huán)境下僅改變ton，發(fā)現(xiàn)隨ton從1 s 變?yōu)? s，鍵合線鍵腳的溫度波動(dòng)減小，釬料層溫度波動(dòng)增大，首先失效位置由鍵合線轉(zhuǎn)為釬料層，說(shuō)明ton通過(guò)影響溫度分布的方式改變失效機(jī)理.

在開(kāi)始功率循環(huán)前還需要選擇電流激勵(lì)方法以及控制策略.最常用的電流激勵(lì)方法是DC 功率循環(huán)電路，即在ton內(nèi)保持導(dǎo)通狀態(tài)，通過(guò)導(dǎo)通損耗加熱.而在功率器件的實(shí)際應(yīng)用中，往往是以脈沖寬帶調(diào)制(pulse width modulation,PWM)控制，在工作過(guò)程中頻繁的切換狀態(tài)，由開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗共同加熱，如圖10 所示，其中DC 電路相對(duì)簡(jiǎn)單，PWM 電路復(fù)雜且結(jié)溫準(zhǔn)確測(cè)量難度較大；Tounsi 等人[35]在環(huán)境溫度為80 ℃、結(jié)溫波動(dòng)ΔTj為70 K 的條件下，測(cè)試了PWM 電路對(duì)器件的靜態(tài)參數(shù)及動(dòng)態(tài)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)與DC 電路無(wú)明顯差異；謝露紅等人[36]歸納總結(jié)了在兩種電路下的失效方式，發(fā)現(xiàn)其失效機(jī)理并無(wú)太大差別，而DC 功率循環(huán)具有電路簡(jiǎn)單，結(jié)溫測(cè)量準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，目前仍舊是主流的的測(cè)試方法[37].

圖10 PWM 電路下的電流及溫度變化[36]Fig.10 Current and temperature changes in PWM circuits

功率循環(huán)的控制策略對(duì)試驗(yàn)結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生重要影響，在不同控制策略下的模塊壽命最多可相差3 倍.分別提出了嚴(yán)苛性不同的控制策略，常見(jiàn)的4 種嚴(yán)苛性由高到低依次是控制ton不變、控制ΔTc(殼溫變化量)不變、ΔPv(功率損耗)不變、ΔTj不變.其中恒定ton作為最苛刻的策略，同時(shí)也是歐洲AQG 324 標(biāo)準(zhǔn)承認(rèn)的唯一策略.早期的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)如GB/T 29332—2012 允許采取控制殼溫恒定或隨結(jié)溫變化的策略，分別考核鍵合線和焊料層；而在2021 年發(fā)布的QCT 1136—2020 中則改為了與歐洲標(biāo)準(zhǔn)類似的秒級(jí)和分鐘級(jí)測(cè)試，但是與其不同的是，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)選取的控制策略為保持ΔTj不變，且固定為100 ℃，但無(wú)論QCT 1136—2020 還是AQG 324，均未針對(duì)SiC 器件進(jìn)行單獨(dú)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明.

除上述參數(shù)之外，結(jié)溫測(cè)量的延遲時(shí)間如果設(shè)置不當(dāng)也會(huì)造成重大的誤差.對(duì)于功率半導(dǎo)體器件，在負(fù)載電流切斷后載流子需要一定時(shí)間復(fù)合，從而重建電場(chǎng)，如果在這時(shí)立刻測(cè)量結(jié)溫則會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)溫偏高，而如果延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，由于散熱器作用結(jié)溫會(huì)下降；Herold 等人[38]計(jì)算了不同結(jié)溫誤差導(dǎo)致的壽命誤差，發(fā)現(xiàn)對(duì)于結(jié)溫波動(dòng)為90 ℃、最小結(jié)溫為25 ℃時(shí)，5 ℃的誤差可以導(dǎo)致27%的壽命誤差；Herold 等人[39]提出可以根據(jù)延遲時(shí)間和結(jié)溫變化量的正比關(guān)系，從后續(xù)溫度反推最高結(jié)溫.為準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)溫，需要設(shè)定一定的測(cè)量延遲時(shí)間.鄧二平等人[37,40]研究了測(cè)量延遲對(duì)于結(jié)溫測(cè)量準(zhǔn)確性的影響，并提出應(yīng)從兩方面解決測(cè)量延時(shí)問(wèn)題，一是要解決寄生電感問(wèn)題，降低測(cè)試回路對(duì)測(cè)量延時(shí)的影響，二是測(cè)試設(shè)備需具有較高的抗干擾能力和足夠的采樣率.

2.1.2 參數(shù)監(jiān)測(cè)及失效判據(jù)

在功率循環(huán)中除了控制初始參數(shù)，與被測(cè)器件失效相關(guān)的參數(shù)的監(jiān)測(cè)也十分重要.以絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)器件為例，根據(jù)歐洲AQG 324 標(biāo)準(zhǔn)，失效的判據(jù)是：熱阻Rth提升至初始值的120%或者飽和壓降VCE提升至初始值的105%即判定為失效，如圖11所示[41]，其中VCE用來(lái)監(jiān)測(cè)鍵合線失效，Rth用來(lái)監(jiān)測(cè)芯片到底板之間的封裝完整性.試驗(yàn)期間，VCE被實(shí)時(shí)監(jiān)控，可直接在電路中測(cè)得.熱阻以結(jié)到殼熱阻Rthjc為例，定義如式(1)所示，其中殼溫Tc和功率Pv通過(guò)在線測(cè)量獲得，問(wèn)題在于結(jié)溫Tj需要在不破壞封裝結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，目前存在的結(jié)溫測(cè)量方法包括紅外相機(jī)測(cè)量法、熱電偶測(cè)量法、芯片集成溫度傳感器法和溫敏電參數(shù)法等，其中溫敏電參數(shù)法由于不需要對(duì)芯片或封裝進(jìn)行額外操作，因而泛用性最廣，受到最多的關(guān)注[42-43].以溫敏電參數(shù)法為例，該方法本質(zhì)是通過(guò)選定并測(cè)量一種受溫度影響的器件參數(shù)作為溫度敏感參數(shù)(temperature sensitive electrical parameter，TSEP)建立該參數(shù)與結(jié)溫之間的關(guān)系，進(jìn)而模擬結(jié)溫的變化.

圖11 ECONOPACK 電源模 塊APC 測(cè)試期 間VCE 和Rthjc 的演變[41]Fig.11 Evolution of VCE and Rthjc during APC testing of ECONOPACK power module

在功率循環(huán)試驗(yàn)中較為常見(jiàn)的溫敏參數(shù)方法是小電流下飽和壓降法[44]，根據(jù)半導(dǎo)體的固有特性，在小電流下的飽和壓降VCE與結(jié)溫呈線性關(guān)系，因此該方法首先通過(guò)外部加熱功率模塊使其溫度均勻，然后測(cè)定此時(shí)的飽和壓降，分別在3～ 5 個(gè)溫度下測(cè)量即可得到反應(yīng)結(jié)溫和飽和壓降關(guān)系的k 曲線.在功率循環(huán)每個(gè)循環(huán)中負(fù)載電流斷開(kāi)時(shí)，向線路中通入小電流Isense，得到小電流下的飽和壓降VCE，代入k 曲線算得此時(shí)的結(jié)溫Tj.

除了利用飽和壓降測(cè)量結(jié)溫，對(duì)于具有MOS 結(jié)構(gòu)的器件(如MOSFET 和IGBT)，其柵極閾值電壓也是有效的溫敏電參數(shù)，溫度校準(zhǔn)方法與飽和壓降類似.Zeng 等人[45]研究了兩種測(cè)量方法的差異，在相同條件下分別用兩種參數(shù)測(cè)量結(jié)溫，發(fā)現(xiàn)使用柵極閾值電壓始終高于飽和壓降法獲得的結(jié)溫，如圖12 所示，可以看到隨電流的增大，除了結(jié)溫整體上升之外，兩種方法得到的結(jié)溫差也在上升，這主要是由于芯片橫向的溫度梯度在逐漸增大.

圖12 650 V IGBT 器件兩種方法測(cè)量結(jié)溫過(guò)程的對(duì)比[45]Fig.12 Comparison of two methods for measuring junction temperature in 650 V IGBT devices

由于SiC 材料自身的特性，SiC 器件的柵極存在閾值電壓不穩(wěn)定性，隨著功率循環(huán)的進(jìn)行閾值電壓會(huì)發(fā)生漂移，影響相應(yīng)結(jié)溫測(cè)量方法的準(zhǔn)確性.目前受到廣泛認(rèn)可的SiC 功率器件結(jié)溫測(cè)量方法是利用器件體二極管在小電流下的溫度特性[37]，通過(guò)在測(cè)量結(jié)溫時(shí)給柵極施加足夠負(fù)電壓，使反向測(cè)量電流全部流經(jīng)體二極管，從而避免閾值電壓的偏移影響結(jié)溫測(cè)量,但是該方法不能用于帶有反并聯(lián)二極管的SiC 器件，因?yàn)榉床⒙?lián)二極管會(huì)將測(cè)量電流分流，無(wú)法得到準(zhǔn)確的測(cè)量電壓，因而仍需要開(kāi)發(fā)新的測(cè)量結(jié)溫方法.

在實(shí)際工作和功率循環(huán)過(guò)程中，半導(dǎo)體芯片由于傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗被加熱，使得芯片中心溫度高于邊緣溫度.過(guò)去由于芯片產(chǎn)熱相對(duì)較少，溫度梯度還不明顯，但隨著芯片功率密度的不斷上升，芯片中心和邊緣溫差很容易達(dá)到40 K，這種變化可能使芯片釬料層的退化從四角轉(zhuǎn)化為從中心開(kāi)始[44]，這一改變使得芯片上的溫度梯度成為需要被考慮到的要素之一.

Schmidt 等人[44]通過(guò)MAKENET 預(yù)處理器建立了被測(cè)系統(tǒng)(電源模塊和散熱片)的三維模型，在利用飽和壓降法獲得了芯片平均結(jié)溫的基礎(chǔ)上，對(duì)于芯片的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，都可以使用電氣網(wǎng)絡(luò)求解器PSpice 來(lái)計(jì)算溫度，得到的模擬結(jié)果與紅外測(cè)量結(jié)果較為接近.

陳杰[46]則利用了飽和壓降法和柵極閾值電壓法的物理意義，即飽和壓降主要反映集電極側(cè)PN 結(jié)處的溫度，柵極閾值電壓主要反映的是發(fā)射極側(cè)溝道區(qū)的溫度，結(jié)合這兩個(gè)信息提出了計(jì)算芯片縱向溫度梯度的方法.

除Rth和Vce這兩個(gè)常用失效判據(jù)外，近年來(lái)的研究中也陸續(xù)有關(guān)于其它判據(jù)的報(bào)道.石巍[47]選取柵極峰值電流Igpeak的減小作為判據(jù)，建立了關(guān)于Igpeak和鍵合線老化程度之間的定量關(guān)系，通過(guò)外加傳感器測(cè)量和電阻對(duì)電流采樣得到該值；孫鵬菊等人[48]以集電極和發(fā)射極兩端直連時(shí)得到的短路電流Isc作為判據(jù)，構(gòu)建了鍵合線相關(guān)寄生參數(shù)的等效電阻網(wǎng)絡(luò)模型，并分析了鍵合線老化情況與電阻網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而將Isc作為判斷鍵合線狀況的判據(jù)之一；模塊跨導(dǎo)gm作為反映接合線健康狀況的參數(shù)之一，也可被用來(lái)監(jiān)測(cè)鍵合線的失效，Wang 等人[49]推導(dǎo)出模塊跨導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型，建立了模塊跨導(dǎo)與鍵合線參數(shù)之間的關(guān)系，表明模塊跨導(dǎo)隨著鍵合線缺陷的增加而減小，并提出了一種脈沖斜坡驅(qū)動(dòng)電路提取模塊跨導(dǎo)，進(jìn)而監(jiān)控鍵合線的狀態(tài).

2.2 功率模塊失效機(jī)理與相關(guān)研究

2.2.1 釬料層失效

釬料層的疲勞失效原因常見(jiàn)可分為空洞和裂紋[50].空洞的產(chǎn)生是在連接過(guò)程中由于無(wú)鉛焊點(diǎn)的回流效應(yīng)而導(dǎo)致的難以避免的缺陷，且會(huì)隨著循環(huán)往復(fù)的溫度變化發(fā)生長(zhǎng)大和增多；空洞會(huì)使局部溫度梯度升高、應(yīng)力上升并阻礙散熱，顯著提高結(jié)溫形成熱斑，甚至導(dǎo)致器件燒毀.裂紋則是由熱膨脹系數(shù)不匹配造成的剪切應(yīng)力產(chǎn)生的，隨著釬料層承受循環(huán)熱應(yīng)力，裂紋會(huì)不斷生長(zhǎng)造成分層現(xiàn)象.裂紋和空洞的增加均會(huì)顯著提高芯片的最大結(jié)溫，產(chǎn)生正反饋加速釬料層疲勞和鍵合線的失效.

釬料層中空洞大小、數(shù)量和分布位置由于對(duì)可靠性影響較大，因而是研究者關(guān)注的重點(diǎn).Li 等人[51]研究了在使用SAC305 釬料焊接過(guò)程中，基板銅晶粒大小對(duì)空洞數(shù)量的影響，通過(guò)提前給銅基板進(jìn)行退火改變其銅晶粒大小，然后對(duì)比在不同晶粒大小的銅基板上焊點(diǎn)的空洞的演化規(guī)律，得出了銅晶粒尺寸減小會(huì)產(chǎn)生更多空洞的結(jié)論；孫海峰等人[52]使用COMSOL 建立了功率模塊的三維模型，并研究了空洞大小和位置對(duì)模塊溫度的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)空洞位于上釬料層時(shí)對(duì)溫度分布影響較大，且空洞半徑越大，溫度升高幅度也越大.

裂紋的生長(zhǎng)會(huì)造成釬料層熱阻的增大，江南等人[53]基于2D 有限元分析研究了裂紋長(zhǎng)度對(duì)熱阻的影響，發(fā)現(xiàn)在裂紋萌生初期，熱阻變化較小，但當(dāng)裂紋長(zhǎng)度比例達(dá)到釬料層邊長(zhǎng)8%時(shí)，芯片熱阻會(huì)以指數(shù)形式增大.關(guān)于如何確定裂紋的位置，郭秋亞[54]提出了可以通過(guò)結(jié)構(gòu)函數(shù)銅層的偏移量大小判斷裂紋的大小，通過(guò)銅層的斜率判斷裂紋的位置.

2.2.2 鍵合線失效

鍵合線疲勞失效通常分為鍵合線斷裂和脫落，顯微鏡下的形貌如圖13 所示.鍵合線產(chǎn)生裂紋是由于在循環(huán)熱應(yīng)力下，鍵合線的高度和長(zhǎng)度隨之發(fā)生變化，其位移可達(dá)5～ 50 μm[55]，導(dǎo)致根部彎曲變形進(jìn)而出現(xiàn)裂紋，引發(fā)斷裂；而鍵合線的脫落的原因主要是由于鍵合線和芯片表面熱膨脹系數(shù)相差較大，產(chǎn)生的剪切應(yīng)力作用使鍵合區(qū)域出現(xiàn)裂紋，最終導(dǎo)致鍵合線脫落.

圖13 鍵合線根部斷裂和脫落的微觀形貌[55]Fig.13 Microscopic morphology of fracture and detachment at the root of the bonding line.(a)fracture;(b) detachment

為探究電流頻率對(duì)鍵合線失效的影響，Czerny 等人[56]用激光多普勒測(cè)振儀測(cè)試了不同頻率的工作電流下功率器件各部位的位移情況，結(jié)果如圖14 所示，發(fā)現(xiàn)隨頻率降低，位移增大，最大位移發(fā)生在二極管鍵合線上.電流頻率對(duì)可靠性的影響通常被忽略不計(jì)，但在頻率較低時(shí)，二極管引線由于電流變化引發(fā)的位移已超過(guò)總位移的十分之一，應(yīng)被視為影響鍵合線失效的因素之一.

圖14 IGBT 功率器件內(nèi)部不同部位的垂直位移情況[56]Fig.14 Vertical displacement of different parts inside IGBT power devices

如前文所說(shuō)，通常以VCE作為監(jiān)控鍵合線失效的參數(shù)，為探究在功率循環(huán)過(guò)程中鍵合線的老化過(guò)程與VCE間的關(guān)系，Dornic 等人[57]跟蹤了功率循環(huán)過(guò)程中鍵合線裂紋的生長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)其增長(zhǎng)與VCE的增長(zhǎng)趨勢(shì)一致，均在功率循環(huán)早期快速增長(zhǎng)，然后以線性增長(zhǎng)，至循環(huán)末期以指數(shù)增長(zhǎng)至失效，據(jù)此推測(cè)VCE的變化與鍵合線裂紋直接相關(guān)，但其發(fā)生關(guān)聯(lián)的機(jī)理仍不清晰.

關(guān)于鍵合線失效機(jī)理和失效判據(jù)，研究人員已進(jìn)行了大量的工作，但是關(guān)于鍵合線微觀組織在失效過(guò)程中的變化、失效過(guò)程中裂紋生長(zhǎng)對(duì)器件參數(shù)的影響方面研究仍較少，有待進(jìn)一步研究.

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)針對(duì)功率器件的封裝和功率循環(huán)測(cè)試進(jìn)行了綜述，綜合近年來(lái)的研究，總結(jié)出了兩個(gè)可提升封裝可靠性的方向，一是改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)，針對(duì)功率器件散熱面積有限、器件功率受限的問(wèn)題采取重新設(shè)計(jì)基板、取消鍵合線互連以及雙面散熱等方法改善散熱效率，降低模塊熱阻；二是改進(jìn)封裝互連材料和方法.

(2)釬料層和鍵合線是器件正常工作導(dǎo)致的失效高發(fā)位置，在鍵合線方面，研究者們從鍵合線的材料、形狀和高度等方面進(jìn)行優(yōu)化；在釬料層方面，連接材料成分的改進(jìn)、與外加場(chǎng)(如超聲波處理)結(jié)合都取得了一定的成果.

(3)列舉了功率循環(huán)試驗(yàn)中需要控制和監(jiān)控的參數(shù)，分析了功率循環(huán)試驗(yàn)中最為常見(jiàn)的兩類失效.

4 未來(lái)展望

(1)提升功率器件的散熱能力.發(fā)揮高性能功率器件的潛力，提高器件的散熱能力是必然趨勢(shì).在封裝結(jié)構(gòu)方面，設(shè)計(jì)無(wú)鍵合線的多維散熱結(jié)構(gòu)，降低寄生電感、增加散熱路徑；在材料方面，在不改變整體性能的基礎(chǔ)上，選取導(dǎo)熱性能更好的材料.

(2)提高功率循環(huán)中結(jié)溫測(cè)量的準(zhǔn)確性.高性能功率器件帶來(lái)不可忽視的結(jié)溫梯度，但目前功率循環(huán)試驗(yàn)中的常用的結(jié)溫測(cè)量方式得到的都是平均結(jié)溫.為了更好的研究器件失效的過(guò)程，有必要設(shè)計(jì)一種可以在線準(zhǔn)確獲得結(jié)溫梯度的方法.

(3)研究新型封裝結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理.關(guān)于新型封裝結(jié)構(gòu)失效機(jī)理的研究尚不多見(jiàn)，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)研究有利于為新封裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和改進(jìn)提供思路.

(4)分析多方面因素綜合作用下的功率器件失效過(guò)程和機(jī)理.模塊在實(shí)際的工作中不僅涉及熱應(yīng)力，同時(shí)還受振動(dòng)、濕度等因素影響，現(xiàn)有研究主要集中在溫度對(duì)器件可靠性的影響，較少分析多種因素共同作用下的失效機(jī)理.