SiC基IGBT高铅焊料芯片固晶层的热冲击失效机理

摘要：目前大功率SiC IGBT器件常用高熔点的高铅焊料作为固晶材料，为保证功率器件的长期使用，需研究温度冲击条件下高铅焊点的疲劳可靠性，并探究其失效机理。采用Pb92.5Sn5Ag2.5作为SiC芯片和基板的固晶材料，探究温度冲击对固晶结构中互连层疲劳失效的影响。

杨光吴丰顺周龙早杨凯李可为丁立国李学敏

（华中科技大学材料科学与工程学院成都士兰半导体制造有限公司）

摘要：

目前大功率SiC IGBT器件常用高熔点的高铅焊料作为固晶材料，为保证功率器件的长期使用，需研究温度冲击条件下高铅焊点的疲劳可靠性，并探究其失效机理。采用Pb92.5Sn5Ag2.5作为SiC芯片和基板的固晶材料，探究温度冲击对固晶结构中互连层疲劳失效的影响。结果表明，温度冲击会促进焊料与SiC芯片背面的Ti/Ni/Ag镀层反应生成的块状Ag3Sn从芯片/焊料层界面往焊料基体内部扩散，而焊料与Cu界面反应生成的扇贝状Cu3Sn后形成的富Pb层阻止了Cu和Sn的扩散反应，Cu3Sn没有继续生长。750次温度冲击后，焊料中的Ag与Sn发生反应生成Ag3Sn网络导致焊点偏析，性质由韧变脆，焊点剪切强度从29.45 MPa降低到22.51 MPa。温度冲击模拟结果表明，芯片/焊料界面边角处集中的塑性应变能和不规则块状Ag3Sn导致此处易开裂。

0 引言

绝缘栅双极形晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）在1980年代推出时被认为是一种革命性的功率器件，目前，它已成为中高功率应用中最受欢迎的功率半导体开关[1]，其常见的封装形式如图1所示。相比于传统Si基芯片，宽禁带半导体碳化硅(SiC)电压阻断能力强，基于其制造的功率半导体有导通损耗低、开关频率高、可高温应用等优势，契合轨道交通、智能电网、电动汽车、新能源领域的发展需要[2-4]，已成为制作第三代功率半导体器件的主要半导体芯片材料。由于大功率器件封装结构形式没有改变，但Si、SiC两者的杨氏模量和热膨胀系数（CTE）等物性参数差异较大，必然带来与之相应的新的封装可靠性问题，其中受物性参数不匹配影响最大的便是直接包含芯片的芯片贴装（DieAttach，DA）结构，其封装可靠性是整体IGBT模块封装可靠性的基础。

SiC IGBT器件相较于其他电子元件来说工作温度更高，因此DA结构中焊料层通常会采用高温焊料。Pb92.5Sn5Ag2.5焊料熔点在280 ℃以上，可适用于高温应用条件。根据《关于限制在电子电气设备中使用某些有害成分的指令》(RoHS)的要求，对于高温应用的产品，若没有经过证实的可靠解决方案，欧盟很可能将对高铅合金的使用扩大豁免[5]。因此，高铅焊料以其高温应用特性以及优异的可靠性广泛应用于Si基芯片功率器件的封装中。有学者对高铅焊料焊接Si基芯片的温度冲击和振动疲劳失效过程进行了研究，发现疲劳失效过程与高铅焊料的组织变化密切相关，焊点内部生成的块状Ag3Sn，以及界面IMC会使得焊料内部出现裂纹，界面出现分层[6-8]。而使用高铅焊料焊接SiC芯片，目前考虑Si和SiC物性参数较大差异对互连层疲劳失效的研究较少，焊点组织的演变及疲劳失效机理等尚不清楚，因此本文将采用高铅焊料(Pb92.5Sn5Ag2.5)对SiC芯片和直接敷铜(Direct Bonded Copper，DBC)基板互连，按照联合电子器件工程委员会(Joint Electron Device Engineering Council，JEDEC)的标准进行温度冲击疲劳加速试验(Thermal Shock Test，TST)，探究DA结构中高铅焊料层的疲劳失效机理。首先观察温度冲击之后焊点的截面组织，分析高铅焊料的组织演变过程；然后对焊点进行剪切试验，测量经过TST后焊点的剪切强度，观察焊点断裂截面。同时对高铅焊点的温度冲击过程进行模拟，结合试验结果分析温度冲击对焊点质量的影响机理，为生产中使用高铅焊料焊接SiC芯片提供可靠性数据与失效分析基础。

1 试验

1.1 试验材料

SiC芯片、DBC基板和高铅焊料(Pb92.5Sn5Ag2.5)均由成都士兰半导体有限公司提供。厚度为180 μm的SiC晶片在蓝膜上被切割成5 mm×5 mm芯片，背面镀层为Ti/Ni/Ag，厚度分别为：0.1 μm、0.3 μm和0.4 μm。

DBC基板尺寸为30 mm×15 mm×0.9 mm，中间陶瓷层的厚度为 0 . 5 m m ，双面敷铜层的厚度为 0 . 2 m m ，为防止污染放入氮气柜中保存。Pb92.5Sn5Ag2.5焊料放入-20 ℃冰柜中保存备用。

1.2 焊点制备流程

本文将两片SiC芯片以DBC基板中心对称焊接在一片DBC基板上，在焊接工艺和温度冲击过程中，两个焊点经历相同的条件，后续试验结果分析时可按相同条件样品处理。焊点的制作过程分为3步：

1）将基板放在模具中，使用150 mm的钢网和刮刀将Pb92.5Sn5Ag2.5焊膏以5 mm×5 mm大小刷到DBC基板上；

2）将SiC芯片贴装在基板上的焊膏上；

3）将贴片好的整体结构放入真空回流炉中进行回流焊接，在回流焊过程中通入甲酸气体，防止在高温回流过程中焊点被氧化。焊接好的样品如图2所示。

1.3 温度冲击条件

本文使用高低温度冲击试验箱对样品进行不同次数的温度冲击试验，选取JEDEC中的温度冲击条件：高温150 ℃保持15 min，低温-65 ℃保持15 min，高低温转换时间不超过3 min，温度冲击炉温曲线如图3所示。

1.4 温度冲击试验设计

将焊接好的样品分别进行0次、250次、500次、750次和1 000次温度冲击。在温度冲击后，使用环氧树脂将样品镶嵌，并用砂纸和抛光剂对样品的厚度方向截面进行打磨和抛光，然后使用扫描电子显微镜（SEM）观察焊点的纵向截面，并用能谱仪（EDS）分析焊料层中的物质成分。

每组经历过不同次数温度冲击的样品中，取三个使用推力仪进行推力试验，得到的推力大小取平均值作为该次数温度冲击后焊点的剪切强度。推力试验中推刀高度为80 μm，推刀移动速度100 μm/s。

2 试验结果及讨论

2.1 温度冲击过程焊点组织演变

图4所示为温度冲击后Pb92.5Sn5Ag2.5焊点的纵向截面组织与形貌。在温冲前Pb92.5Sn5Ag2.5焊点中，芯片和焊点的上界面会生成块状的IMC，其放大图像和成分组成如图5(a)所示，其为Ag3Sn，而下层为连续的扇贝状Cu3Sn，如图5(b)所示。

随着温度冲击的进行，焊点上界面的块状Ag3Sn会逐渐增多，在温度冲击进行到500次之后，焊点上界面Ag3Sn有从上界面往焊料基体中迁移的趋势。由于焊料为Pb92.5Sn5Ag2.5，焊料中的Sn和Ag也会在温度冲击过程中发生反应，如图4(c)、图4(d)、图4 (e)所示，焊点中会形成网状Ag3Sn，导致焊点中的Ag与Sn偏聚，高铅焊料基体也会变脆退化。而焊点下界面的Cu3Sn厚度变化基本没变化。由于高铅焊点中Cu含量较少，同时回流焊过程中温度较高，因此焊料/Cu界面会生成Cu3Sn而没有生成Cu6Sn5，边界处焊料中的Sn被反应后形成的富Pb层阻止了Sn往Cu基板的扩散，温度冲击过程中Cu3Sn没有变多。

2.2 剪切试验

2.2.1 温度冲击对焊点剪切强度的影响

随着温度冲击的进行，焊点的剪切强度会逐渐下降，如图6所示，起初焊点剪切强度几乎没有变化；500次温度冲击后，焊点剪切强度会迅速下降。结合前文中温度冲击过程高铅焊点组织变化过程，在温度冲击后，焊点中形成的Ag3Sn网络，会导致焊点偏析，焊料基体变脆退化，焊点质量下降。

2.2.2 温度冲击对焊点剪切截面形貌的影响

不同温度冲击次数后高铅焊点的剪切截面如图7所示，截面主要由芯片背面镀层区域组成，有少数位置在焊点内部发生断裂，如图7(a)的位置1，其局部放大图如图8(a)所示，可见断面有明显的韧窝形成，显示出高铅焊料明显的塑性断裂特征，此时焊点的塑性较好。在250次温度冲击后，焊点中出现凹坑，如图7(b)位置2所示，其对应放大图如图8(b)所示，EDS结果表明此区域为Cu/焊料层界面处的扇贝状Cu3Sn，焊点小部分断裂位置从芯片/镀层界面转移到了焊料/Cu3Sn界面，断裂位置转变示意图如图9所示，在焊点内部发生断裂的区域也有所增加。500次温度冲击之后也焊点断裂截面形貌特征与此类似。此时焊料基体的强度没有明显变化，焊点的剪切强度变化不大。

温度冲击750次之后，断裂位置在焊料内部的区域形貌变得不平整，如图7(d)位置3所示，该位置对应放大图像如图8(c)所示，断裂界面原本的韧窝消失，出现了明显的河流花样，呈现出典型的脆性断裂特征。结合焊点的组织演变分析，经历过750次温度冲击后，由于焊点内的Ag与Sn反应生成了Ag3Sn网络，导致焊点脆化，强度迅速下降，同时也降低了焊点在界面处的结合强度。温度冲击进行到1 000次，脆化的Pb基体断裂区域会进一步扩大，焊点质量进一步下降。

3 模拟及分析

本文采用ANSYS的热力耦合模块，首先进行温度场模拟，将温度场作为载荷进行热应力模拟，分析温度冲击条件下，焊点所受的应力与应变。

3.1 几何模型和材料性质

根据上节试验制备的样品结构与尺寸建立几何模型，如图10所示，由于该DA结构中心对称，因此可将其简化为1/4模型进行计算。DBC基板和SiC芯片的力学行为表现为弹性，用弹性模型描述其力学行为。Pb92.5Sn5Ag2.5通常表现为黏塑性，可用Anand方程作为其本构模型，该方程共有九个参数，分别为：黏塑性系数A＝26400 s-1，激活能Q＝90697 J/mol，应力乘子ξ＝13，应力的应变率敏感指数m＝0.307，硬化常数h0＝36700 MPa，硬化的应变率敏感性指数a＝3.96，初始形变阻抗s0＝30 MPa，变形阻力饱和值系数＝35.75 MPa，饱和应变率敏感指数n＝0.03，其余材料参数见表1。

3.2 边界条件

温度边界条件为图3中所示的实际炉内温度随时间变化的温度载荷，应力场边界条件仅为中心点固定约束，模型可在热应力的作用下自由变形。

3.3 模拟结果分析

根据一些学者的研究，一个循环内温度冲击的应力和应变的变化值会在4个循环后达到稳定状态[10-11]，因此本文后续展示的结果均为4个温度冲击后的结果。温度冲击条件下高铅焊料层的等效塑性应力与等效塑性应变如图11所示，温度冲击条件下，焊料层在热失配的作用下受到了较大的热应力，并且在焊料层的上界面边角处出现了应力集中。如图12所示，塑性应变与塑性应变能也在边角处集中，根据基于能量的疲劳寿命预测模型，此处焊点易于萌生裂纹[12]。图13所示为在750次温度冲击后，焊点上界面在集中的塑性应变与塑性应变能的作用下，出现的分层裂纹。由于焊点上界面会生成块状Ag3Sn，不均匀分布的块状Ag3Sn会进一步导致界面边角位置的应力变得复杂与集中，而块状的脆性Ag3Sn导致其为薄弱位置，因此裂纹会最先在界面处的Ag3Sn处萌生。