隨著第三代半導體技術的迅猛發展，碳化硅（Silicon Carbide, SiC）功率模塊因其卓越的性能在工業生產中得到了廣泛的應用。SiC材料以其高禁帶寬度、高擊穿場強、高熱導率和高載流子飽和速度等特性，使其在大功率領域中具有顯著優勢。然而，隨著應用的深入，SiC功率模塊的可靠性問題逐漸成為業界關注的焦點。特別是在電力電子轉換過程中，功率器件的老化問題尤為突出，其中鍵合線的失效占比高達70%，嚴重影響了SiC功率模塊的可靠性。

在SiC功率模塊中，引線鍵合作為連接芯片與外部電路的關鍵技術，其可靠性直接關系到整個模塊的性能和壽命。由于SiC芯片體積小、可鍵合面積減少，加之更大的功率密度帶來的更高交變溫度荷載，使得鍵合線和焊料層在長期服役下容易出現老化現象。因此，對SiC功率模塊引線鍵合的可靠性進行深入分析和研究，對于提高整個模塊的性能和可靠性具有重要意義。

本文旨在通過對SiC功率模塊引線鍵合技術的可靠性分析，探討影響鍵合可靠性的關鍵因素，并提出相應的優化策略。我們將對其可靠性測試進行綜合分析，以期為SiC功率模塊的設計和制造提供科學依據和技術支持。。

 

一、SiC 功率模塊引線鍵合可靠性分析

SiC功率模塊引線鍵合可靠性分析是指對碳化硅（SiC）功率模塊中引線鍵合技術的可靠性進行研究和分析的過程。這項分析關注于評估和提高SiC功率模塊在長期運行中的穩定性和耐久性，特別是在大功率應用中。以下是對這一分析的幾個關鍵點的概述：

1、鍵合技術的重要性：SiC功率模塊因其高功率密度和高頻特性，在工業生產中得到了廣泛應用。然而，功率器件在電力電子轉換過程中最易老化，其失效占比超過30%，其中鍵合線失效占比高達70%。因此，對SiC功率模塊鍵合強度及其可靠性的研究具有重大意義。

2、鍵合參數優化：通過單因素實驗和正交試驗對比法，研究者尋求工業生產中不同鍵合材料的最優參數區間。這些參數包括鍵合功率、鍵合壓力和鍵合時間，它們對鍵合強度有顯著影響。

3、材料對比：研究表明，Cu鍵合線的最高溫度、最大等效應力均高于Al鍵合線，但受材料屬性影響，Cu鍵合線的最大塑性應變僅為Al鍵合線的1/2。根據功率循環實驗，Cu鍵合線的壽命約為Al鍵合線的4倍。

4、電熱性能分析：通過建立器件的電熱耦合模型并進行數值仿真實驗，發現鍵合線老化會引起正向導通壓降上升和芯片表面綜合溫度上升，測量得到的瞬態熱阻也會增大。

5、可靠性測試：包括功率循環實驗、剪切力實驗等，用以評估鍵合線的可靠性和機械強度。例如，高鍵合功率的鍵合壽命是低超聲功率鍵合的1.5~3倍。

 

二、如何進行可靠性測試？

（一）常用檢測設備

1、Beta S100 推拉力測試機 

Beta S100 推拉力測試機是一款專用于微電子引線鍵合后引線焊接強度測試、焊點與基板表面粘接力測試及其失效分析領域的動態測試儀器。

a、測試功能

用于微電子引線鍵合后的引線焊接強度測試。

用于焊點與基板表面粘接力的測試。

用于失效分析。

b、測試類型

包括晶片推力測試。

包括金球推力測試。

包括金線拉力測試。

c、技術特點 

采用高速力值采集系統。

根據測試需求更換相對應的測試模組，系統自動識別模組量程。

靈活應用于不同產品的測試。

每個工位獨立設置安全高度位及安全限速，防止誤操作損壞測試針頭。

d、操作特性

測試動作迅速。

測試結果準確

適用面廣泛。

e、應用領域

適用于半導體IC封裝測試。

適用于LED封裝測試。

適用于光電子器件封裝測試。

適用于PCBA電子組裝測試。

適用于汽車電子領域。

適用于航空航天領域。

適用于軍工領域。

f、其他應用

可用于各種電子分析及研究單位的失效分析。

適用于各類院校的教學和研究。

2、檢測類型 

（二）檢測方法（剪切力測試） 

步驟1、設備與配件檢查

檢查SiC功率模塊測試機及其所有配件，確保設備完整且功能正常。

確認測試機、剪切刀和夾具等關鍵部件均已完成校準，以確保測試結果的精確性。

步驟2、模塊安裝與電源連接

將待測試的SiC功率模塊正確安裝到推拉力測試機上。

連接電源，并啟動測試機，等待系統自檢和模塊初始化完成。

檢查所有指示燈和顯示屏是否正常工作，確保系統準備就緒。

步驟3、剪切刀的安裝與校準

根據測試的具體需求，選擇適合的剪切刀。

將剪切刀安裝到推拉力測試機的指定位置，并進行牢固鎖定，以保證測試的精確度。

步驟4、測試夾具固定

將SiC功率模塊精確地放置在測試夾具中，并確保其位置正確。

將夾具安裝到測試機的工作臺上，并使用固定螺絲將其緊固，模擬實際使用中的固定狀態。

步驟5、測試參數的設定

在測試機的軟件界面上輸入必要的測試參數，包括但不限于測試方法、傳感器選擇、測試速度、目標力值、剪切高度和測試次數。

完成參數設置后，保存并應用這些參數，確保測試能夠按照預定條件執行。

步驟6、測試執行

在顯微鏡下確認SiC功率模塊和剪切刀的相對位置正確無誤。

啟動測試程序，密切監視測試過程中的動作，確保一切按照設定的參數進行。

如遇任何異常情況，立即停止測試以避免進一步的損壞。

步驟七、結果觀察與分析

測試完成后，對SiC功率模塊的破壞情況進行觀察，并進行失效分析。

記錄剪切力數據，包括剪切力值、剪切位置、引線材料、鍵合方法及被鍵合的材料，以及剪切強度和剪切類別代號。

對每個被剪切過的鍵合點，都應記錄規定的類別代號，并確定分離模式。

 

以上就是小編介紹的SiC 功率模塊引線鍵合可靠性分析內容了，希望可以給大家帶來幫助！如果您還想了解更多引線鍵合失效形式，Beta S100 推拉力測試機推拉力測試機怎么使用、品牌、鉤針、原理、怎么校準和技術要求，焊接強度測試儀器、使用方法和怎么用等問題，歡迎您關注我們，也可以給我們私信和留言，科準測控技術團隊為您免費解答！