隨著新能源汽車、光伏逆變、電機控製等領域快速發展，功率半導體器件在高電壓、大電流、高溫環境下長期運行，對器件可靠性提出更高要求。IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）作為典型功率半導體器件，具有高輸入阻抗、高開關速度以及較強電流承載能力，被廣泛應用於電力電子變換裝置中。

 

然而，在長期工作過程中，IGBT不僅可能受到電壓波動、電流衝擊等電氣因素影響，其內部封裝結構也可能因熱循環、機械應力等因素出現連接失效，因此，對IGBT封裝結構進行機械可靠性評估，也是功率半導體可靠性驗證的重要環節。

本文榴莲视频成版APP下载測控小編將圍繞IGBT封裝失效原因以及Alpha-W260推拉力測試機在可靠性檢測中的應用，為您展開介紹如何通過鍵合線拉力、芯片剪切、焊點強度等測試方式，對器件內部連接結構進行力學性能分析。

 

 

一、IGBT器件為什麽需要進行封裝可靠性評估？

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）是一種結合MOSFET高輸入阻抗特性和雙極型晶體管大電流傳輸能力的功率半導體器件，廣泛應用於新能源汽車電控係統、光伏逆變器、工業電機驅動、電源設備等高功率應用場景。

與普通集成電路芯片不同，IGBT需要在高電壓、大電流環境下長期工作，因此除了芯片本身的電氣性能外，封裝結構的可靠性同樣決定著器件的使用壽命。

從內部結構來看，一個完整的IGBT器件主要由芯片、絕緣層、金屬化層、鍵合線、焊接層、基板以及外部封裝結構組成。

 

其中：

l IGBT芯片是實現電能控製和開關功能的核心部分，負責控製電流導通與關斷；

l 鍵合線用於連接芯片電極與外部端子，實現電流傳輸；

l 焊接層用於固定芯片，並承擔熱量傳遞作用；

l 基板為芯片提供機械支撐，同時幫助器件散熱；

l 外部封裝材料則用於保護內部結構，避免受到外界環境影響。

這些結構共同組成了IGBT的電氣連接和機械支撐體係。

 

二、IGBT封裝中常見機械失效模式有哪些？

常見機械失效主要集中在鍵合線、芯片連接界麵以及焊接結構等位置。

1. 鍵合線疲勞與斷裂

在功率半導體器件中，鍵合線承擔著芯片與外部電極之間的電流傳輸任務，是封裝內部的重要連接結構。

IGBT在運行過程中會產生周期性溫度變化，鍵合線與芯片、焊盤之間由於材料特性不同，會受到反複熱應力作用。隨著工作時間增加，鍵合區域可能出現疲勞累積，導致：

鍵合線變形；

焊盤連接區域損傷；

鍵合線斷裂。

一旦鍵合線失效，會導致器件電流傳輸異常，嚴重時可能造成器件失效。

因此，需要通過鍵合線拉力測試評價連接強度，判斷鍵合工藝是否滿足可靠性要求。

 

 

2. 芯片與基板連接失效

IGBT芯片通常通過焊接層或其他連接材料固定在基板上，該界麵不僅承擔機械固定作用，同時還負責熱量傳遞。

由於芯片、焊料和基板材料之間存在熱膨脹差異，在長期溫度循環過程中，連接界麵會不斷受到熱機械應力影響。

隨著循環次數增加，可能出現：

焊層裂紋；

界麵分層；

芯片結合強度下降。

這類問題會影響器件散熱能力，並進一步加劇內部溫升，形成惡性循環。

 

3. 焊點連接強度下降

功率半導體內部存在多個焊接連接區域，例如芯片焊接層、引腳連接位置等。

如果焊接過程中存在材料缺陷、空洞或者界麵結合不足，在長期工作狀態下可能逐漸產生裂紋。

焊點失效初期可能不會立即導致器件停止工作，但隨著裂紋擴展，會增加電阻並影響電流傳輸穩定性。

因此，通過焊點推力測試、剪切測試等方法，可以提前評估封裝連接可靠性。

 

三、推拉力測試機如何檢測IGBT封裝可靠性？

推拉力測試機通過施加拉伸、推力或剪切載荷，使封裝內部某一連接結構達到破壞狀態，並記錄最大承載力、破壞位置以及失效模式。

通過這些測試數據，可以分析封裝工藝是否穩定，以及器件內部連接是否滿足設計要求。

1. 鍵合線拉力測試（Wire Pull Test）

鍵合線拉力測試主要用於評價IGBT內部鍵合線與焊盤之間的連接強度。

測試過程中，夾具固定鍵合線，通過垂直方向施加拉力，直到鍵合線斷裂或者連接區域發生破壞。

測試結果通常包括：

最大拉力值；

斷裂位置；

失效模式。

 

 

2. 芯片剪切測試（Die Shear Test）

芯片剪切測試主要用於評價芯片與基板之間的結合強度。

測試時，通過推刀對芯片側麵施加水平剪切力，使芯片與連接層發生分離，並記錄芯片脫離時所需的最大剪切力。

該測試可以用於分析：

芯片焊接質量；

界麵結合強度；

失效位置。

 

3. 焊點推力測試

焊點推力測試主要用於評價封裝內部焊接連接區域的機械強度。

測試過程中，通過推刀對焊點施加作用力，使焊點發生破壞。

通過測試數據，可以分析：

焊接區域承載能力；

材料結合情況；

工藝穩定性。

 

 

四、IGBT封裝可靠性測試需要關注哪些指標？

在進行IGBT封裝可靠性測試時，並不是隻關注最終破壞力值，還需要結合多個測試指標綜合分析。

1. 最大破壞力

最大破壞力是評價封裝連接強度的重要參數。

它反映了鍵合線、芯片連接層或焊點結構能夠承受的最大外部作用力。通過不同批次樣品測試結果對比，可以判斷生產工藝的一致性。

2. 失效位置

相同的測試力值，不同的斷裂位置可能代表不同問題。

例如：

鍵合線中部斷裂，可能與材料強度有關；

焊盤位置脫離，可能與鍵合工藝有關；

芯片界麵分離，可能與焊接質量有關。

3. 失效模式

除了力值數據，還需要觀察樣品破壞後的狀態。

通過失效模式分析，可以判斷：

是材料問題；

工藝問題；

結構設計問題。

結合顯微觀察和測試數據，可以更加準確定位失效原因。

4. 測試重複性

對於批量生產的功率器件而言，測試結果的一致性同樣重要。

穩定的測試數據能夠反映：

封裝工藝穩定程度；

產品批次一致性；

生產質量控製水平。

 

在IGBT等功率器件長期工作過程中，熱循環、機械應力以及製造缺陷都可能導致封裝結構出現疲勞、裂紋或連接失效，推拉力測試機通過對鍵合線、焊點以及芯片連接結構施加可控的拉力或推力，獲取最大破壞力、失效位置以及破壞模式等數據，可用於分析功率半導體器件封裝質量，為產品研發、工藝優化和失效分析提供測試依據。

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