在半导体器件的研究领域，芯片的性能和寿命一直是备受关注的焦点。键合线失效作为器件的典型失效方式之一，与芯片表面的温度分布密切相关。由于芯片表面存在温度梯度，每个键脚承受的热应力存在差异，而芯片的寿命是否取决于承受应力的键脚，一直是研究的难点。本文将突破传统的有限元仿真分析应力寿命关系的研究方法，重点聚焦芯片表面的温度梯度对芯片寿命的影响。通过提取温度梯度特征，设计等效实验，深入探究不同温度梯度在不同失效模式下对寿命的影响。
　　0 引言
　　在绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的应用中，焊料老化和键合线失效是常见的两种失效形式。其根本原因在于材料热膨胀系数（CTE）的不匹配。随着器件的持续使用，CTE 不匹配造成的疲劳累积终会引发器件失效。为了有效延长器件寿命，目前主要有两种途径。一种是采用新型封装形式，例如压接型 IGBT 移除了键合线，采用夹紧力连接方式，显著提高了器件的可靠性；双面烧结 IGBT 同样移除了键合线，大大增强了器件的可靠性。另一种是改进焊料可靠性，如采用银烧结的方式。然而，压接型 IGBT 由于机械夹具的存在，不适用于振动频繁的场合；银烧结技术壁垒高且开发成本较高。根据寿命公式，寿命与键脚承受的电流有关，因此大部分器件还是保留键合线，增加键合线数量成为提高器件寿命的一种直接方法。
　　芯片结温一般采用电学方法测量，小电流下的饱和压降法测结温是目前常用的测量方式。它利用 PN 结的负温度特性，通过测量小电流下 PN 结的电压，间接反应器件的结温。但饱和压降法测量的结温是芯片表面的平均温度，不能反映芯片表面的温度分布。随着键合线的增加，芯片表面存在温度梯度，每个键脚所处的芯片表面位置差异较大，键脚承受的温度差异可能达到 50K 甚至更高。按照寿命模型推导，每个键脚的寿命也是不同的。因此，芯片表面及键合线所呈现的温度梯度对寿命的影响可以转化为不同温度的键脚并联对寿命的影响。研究多键合线并联后的寿命更接近于承受温度的键脚寿命还是温度的键脚寿命，一直是工业界的关注点和研究难点，这不仅关系到键合线的布局优化，也影响了寿命模型的建立。
　　键脚的温度无法利用电学方法测量得到，也无法通过红外测量得到。本文提出了能够有效测量键脚温度的方法。分立器件由于功率小，大部分只有单根键合线，其芯片表面的温度分布符合二次函数分布。通过控制加热功率和加热时间，再结合电学方法测量得到的芯片结温结果，芯片表面的温度分布可以被确定。此时，如果芯片只有单根键合线，则由电学方法测量的芯片结温可以间接反应键合线键脚的温度。
　　多个具有单根键合线的器件并联，通过调节每个器件的结温，保持加热功率和加热时间不变，器件的结温差异可以反应键脚的温度差异，进而可以研究芯片表面温度梯度对寿命的影响。由于分立器件芯片和铜板的面积比值较小的封装特点，分立器件焊料极少发生老化，但大功率器件的焊料老化是功率循环的典型失效形式之一。因此，为了能够全面地分析不同失效形式下，温度梯度对寿命的影响，需要合理利用 CTE 的不匹配进而产生类似焊料老化的参数特征，比如器件热阻上升。
　　本文首先选用全桥器件进行功率循环测试，分析其在功率循环中的失效方式，通过有限元仿真提取芯片表面的温度梯度特征，为后续的实验设计提供数据支撑。然后通过有限元仿真分析电学方法测量的结温和键脚温度的关系，奠定采用单键合线分立器件并联分析温度梯度对寿命影响的理论基础。，将 3 个分立器件并联，通过改变不同的热界面材料获得不同的键脚温度，利用时序电参数法，研究不同表面温度梯度在不同失效方式下对寿命的影响。结果表明，器件如果只有键合线老化，温度梯度不会对器件寿命产生影响；器件如果存在焊料老化，则随着温度梯度的增加，寿命会减短。
　　1 温度分布提取
　　测试原理图如图 1 所示，选用了 S5 桥臂进行标准功率循环实验，测试条件为栅极电压 VGE = 15V，负载电流 IL = 550A，加热时间 ton = 1s，冷却时间 toff = 2s，结温波动 ΔTj 约为 100K，结温 Tjmax 约为 145℃。

　

　　实验结果如图 2 所示，饱和压降 VCE 率先达到了失效标准 105% VCE，同时，器件的焊料也发生了一定程度的老化，造成了热阻的显著上升。

　　为了确定在功率循环条件下，芯片表面的温度梯度值，建立了该全桥器件的有限元模型，全桥器件的结构如图 3 所示，对桥臂 S5 进行有限元仿真计算，同时为了简化计算，采用了对称边界条件以减小计算量，只计算选中部分（蓝色域）。电流源采用法向电流密度，另一端接地。

　

　　仿真模型采用电热仿真模型，校准瞬态热阻抗曲线后，校准后的瞬态热阻抗结果如图 4 所示，材料参数如表 1 所示，电导率方程为 g (Tvj)②，芯片的电导率方程标准在图 4 中。

　　功率循环仿真中，法向电流密度为：25A/mm?，当结温稳定后（t = 20s），提取芯片上面各个键脚的温度，如图 5 所示。

　　从图 5 可知，键脚之间的温度差异 45.6K，由于热耦合的作用，改善了芯片表面的温度差异。对于大功率器件，其失效形式不仅仅包括键合线失效，同时还包括焊料老化，因此在后续的分析中，也需要兼顾两种失效形式。
　　2 温度梯度对寿命的影响
　　为了能够在实验中测量键脚温度，需要确定键脚温度和电学测量的结温的定量关系，通过有限元仿真，分析了键脚温度和结温的线性关系，挖掘出了键脚温度可以用结温线性表示的规律。然后利用多器件并联进行功率循环实验，通过测量各个器件结温，进而得到各个器件的键脚温度差，键脚温度差等效为芯片表面温度梯度，研究芯片表面温度梯度对寿命的影响。
　　2.1 结温和键脚的温度关系
　　小电流下的饱和压降测量的结温 Tvj，是功率循环（PCT）中常用的结温测量方式，也是国际标准 AQG324 中规定的方法。对于单根键合线的分立器件，芯片表面的温度分布符合二次函数的规律，因此通过控制加热功率和加热时间，可以用 Tvj 表征键脚温度 Tbf。
　　以 INFINEON 公司的分立器件 IKW20N60T 为例，其几何模型如图 6 所示，平面结构由超声波扫描显微镜获得，纵向厚度由文献 [21] 获得，器件含有 1 根 500μm 键合线。

　　通过有限元仿真分析 Tvj 和键脚温度 Tbf 的关系，首先用瞬态热阻抗曲线 Zth 校准有限元模型，瞬态热阻抗测试采用降温法测量，结果如图 7 所示，加热时间 ton 为 10s，冷却时间 toff 为 100s，加热负载电流 IL 为 30A，测量延迟时间 tMD 为 350μs。

　

　　原始的 Zth 和校准后的 Zth 存在偏移量 0.14K/W，偏移量是由于根号 t 法反推热阻造成的误差，误差由于 IGBT 不是根号 t 法要求的一维传热，且热源不是面热源造成，可以通过曲线平移消除误差。经过校准的仿真模型热路径和实际一致，校准后的材料参数已经列在表 1 中，电导率方程采用 g (Tvj)①。
　　仿真模型的边界条件如图 8 所示，热源采用体热源（选中蓝色区域），散热器传热系数为 2500W/(m??K)。调节不同的体热源值，进行加热时间 2s，关断时间 4s 的标准功率循环，当结温波动稳定后（3 个循环后达到热稳定），提取芯片金属层表面路径 1 在结温 Tvjmax（t = 20s）的温度分布，结果如图 4 所示。

　

　　小电流下的饱和压降法测量的结温近似为芯片表面的平均温度，从图 9 可以看出，在不同加热功率下，芯片的结温从 133℃升至 145℃，同时键脚的温度值 Tbf.max 从 144℃升至 156℃，不同加热功率下。键脚的温度 Tbf 和结温 Tvj 差值均为恒定值 c（c = 11K），因此结温的差异反应了键脚温度的差异。因此当 i 个分立器件并联时，其键脚温度差异 ΔTbf.max 表示如式 (1) 所示。

　　2.2 温度梯度对寿命的影响
　　文献 [16] 提到，分立器件只会发生键合线失效，因此为了考虑焊料老化条件下，温度梯度对寿命的影响，需要挑选合适的热界面材料。焊料老化的主要影响是在功率循环过程中造成热阻的上升，进而引起结温的上升，因此选用了氧化铝和氮化铝陶瓷材料，使器件和陶瓷片之间发生摩擦，进而使热阻增加，引起结温的上升，达到和焊料失效相近的效果。另一种热界面材料选择硅胶片，作为对照组研究只发生键合线老化时，温度梯度对寿命的影响。两种热界面材料的材料参数如表 2 所示，结温测量延迟 200μs。
　　2.2.1 功率循环寿命参照组
　　为了研究不同温度梯度下对寿命是否有影响，需要先确定器件本身的寿命。当硅胶片和陶瓷分别作为热界面材料时，进行了功率循环实验，确定不同热界面材料的器件寿命。每种热界面材料的功率循环包含了 6 个样本。其测试原理图如图 10 所示。功率循环利用了 3 条支路，每条支路两个样本，测量电流源为 100mA，测试条件如表 3 所示。由于氧化铝具有较高的热导率，因此如果将氧化铝作为热界面材料，温度波动会低于另一组。

　

　　所有的器件均达到了饱和压降的失效标准 105% VCE。相同热界面材料的参数趋势近似，因此只展示一个器件的参数变化，结果如图 11 所示。随着功率循环的进行，尽管陶瓷和器件之间涂抹了导热硅脂，但是由于分立器件的安装方式特点，需要有外部压力保持器件和热界面材料的接触以保证良好的散热能力，功率循环中器件的加热冷却过程使器件铜板和热界面材料产生了温度变化，陶瓷的硬度很高，且铜和陶瓷之间的热膨胀系数不匹配，因此产生了切向应力，终摩擦造成了器件表面磨损，增加了接触热阻。如图 11 (a) 所示，因此造成了热阻的上升，终器件仍然是饱和压降先达到失效标准。而对于硅胶片，由于硅胶片较软，与器件之间的应力较小，不会因为摩擦产生磨损。在功率循环开始时，尽管有压力，但是硅胶片和器件的接触仍然不稳定，热阻缓慢下降。如图 11 (b) 所示，一段时间后（6000 个循环），两者接触才逐渐稳定，终器件达到 VCE 失效标准，器件和硅胶片表面不会产生摩擦。

　

　　将陶瓷作为热界面材料时，可以模拟焊料失效时的热阻上升现象，功率循环寿命分布符合 Weibull 分布，两种热界面材料的 Weibull 寿命分布如图 12 所示。提取了 B10 寿命作为标准寿命，不同温度梯度下的并联器件的寿命如果低于该值，则认为温度梯度对功率循环寿命有较大影响。

　　2.2.2 温度梯度对寿命的影响
　　2.2.1 节已经确定了无温度梯度条件下，不同失效形式的器件寿命分布，因此通过多器件并联，分别在两种热界面材料下调整不同的安装条件，例如压力大小和导热硅脂厚度等，研究不同温度梯度下的寿命差异，时序电参数法用于监测每个器件的结温，时序电参数法原理如图 13 所示。测量原理图如图 14 所示。当 #1—#3 3 个分立器件并联时，在加热时间 ton 内，所有的器件栅极保持 ON，负载电流通过 3 个器件加热，当负载电流关断后，测量结温的延迟时间 tMD 时间内，只保留一个器件，例如 #1 栅极为 ON，其余两个器件 #2 和 #3 栅极为 OFF，因此延迟时间 tMD 下测量的结温为 #1 器件的结温。

　

　　由于饱和压降法测量的结温为芯片表面的平均结温，因此如果将 3 个器件当作一个器件时，其测试条件的结温可以由式 (2) 得到，进而结温、结温以及温度波动也可以