IGBT是一种新型功率半导体器件，综合了BJT（双极结型晶体管）和MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的优点，具有高电压、大电流、高输入阻抗、低驱动功率、开关速度快等特点。它在导弹伺服电机控制系统、激光武器和战斗机飞行控制系统等应用中的需求极高。它的可靠性很大程度上决定了整个设备的可靠性。随着IGBT工作电压和电流的提高以及芯片尺寸的不断减小，芯片功率密度急剧增加，散热和可靠性成为必须解决的关键问题。
陶瓷基板是IGBT模块应用最广泛的关键材料，具有优良的导热性、耐热性、绝缘性、低膨胀系数，适合铝线键合。陶瓷覆铜基板由金属线路层和陶瓷层组成。由于陶瓷和金属之间存在显着的热膨胀差异，使用过程中产生的热应力会导致基板破裂和失效。裂纹通常发生在材料中应力集中或高应变的区域。经过足够的循环后，裂纹在材料的应力集中或高应变区域萌生，在循环载荷的作用下裂纹进一步扩展，直至材料完全断裂。因此，研究陶瓷基板的热循环可靠性具有重要意义。
陶瓷基板材料的现状
IGBT模块用DBC（陶瓷覆铜板）材料主要包括三种类型：氧化铝陶瓷基板、氮化铝陶瓷基板、氮化硅陶瓷基板。
● Al2O3 是最常用的材料，具有优良的绝缘性、化学稳定性和机械性能。该工艺相对成熟，成本较低，但Al2O3的热导率较低，其热膨胀系数与半导体芯片的热膨胀系数不太匹配（一般Si为2.8×10-6·K-1）。适用于中、小功率IGBT模块。
● AlN具有高导热率，约为Al2O3的6倍。其热膨胀系数与半导体芯片比较兼容。但直接在其表面覆盖铜比较困难，成本约为Al2O3的4倍。 AlN 在较高温度和较高湿度下可分解成水合氧化铝。其弯曲强度和断裂韧性较低，在焊接后的热循环过程中容易产生裂纹，影响整个功率模块的可靠性。适用于大功率IGBT模块。
● Si₃N₄的热膨胀系数与半导体芯片最匹配。其机械性能是Al2O3、AlN的2倍以上，导热系数是Al2O3的2.5倍以上，具有高温轻质、耐热震性能优良，成本约为Al2O3的2.5倍。对于大功率IGBT模块，氮化硅是目前最优的材料。
温度循环 测试
为确保IGBT满足JM2级考核要求，需要对IGBT进行可靠性评估。目前，常用的方法是温度循环测试。使用温度冲击试验箱对IGBT进行整体加热和冷却，引起整个模块的温度变化。根据GJB128A《半导体分立器件试验方法》要求，温度范围为-55～150℃，转移时间不应超过1分钟，保温时间不应少于10分钟。在IEC60749-25《半导体器件的机械和气候变化测试-第25部分：温度循环》中，保持时间应≥15分钟。因此，温度循环测试的保持时间延长至30分钟，以验证陶瓷基板的可靠性。
① 测试目的
确定IGBT承受极端高温和低温的能力，以及交替暴露于此类极端温度对IGBT绝缘耐压的影响。此外，还研究了 IGBT 在恶劣的使用和存储条件下随着时间的推移相应的故障现象。
② 测试条件
测试前需确认设备温度箱在校准有效期内，以保证测试结果的有效性。模块的放置应确保其不会阻碍测试室内的气流。测试温度条件为-55至150℃，保温时间30分钟，共循环1000次。热区和冷区之间的转移时间不应超过1分钟。试验后，绝缘耐压试验应在8小时内进行才有效。
③ 失效机理
陶瓷基板是由铜-陶瓷-铜组成的双材料三层复合结构。在温度循环测试过程中，当基体整体均匀地承受随时间变化的温度载荷时，由于铜与陶瓷热膨胀系数的不匹配以及形变约束的存在，界面处会出现应力集中，特别是在几何突变处（通常称为奇异点）。
当外部温度负荷达到150℃时，陶瓷基板上的铜层将发生塑性变形。在温度循环过程中，铜层的塑性变形显着累积，在铜层与陶瓷界面的几何突变点处出现应力集中。由于界面端部的应力奇异性相对较弱，当界面处发生应力集中时，接合材料的失效就会从应力集中的位置开始，从而产生裂纹。同时，陶瓷基板在制造过程中，从1066℃到室温存在明显的温差，基板存在一定的残余应力。这会导致裂纹偏离原来的裂纹方向并延伸到陶瓷基体中，导致失效。另外，陶瓷是由粉末烧结而成，存在极微小的裂纹或空隙作为固有缺陷。这些固有缺陷也会成为陶瓷基体的薄弱点，并导致裂纹向缺陷方向延伸。裂纹延伸一定长度后，继续沿平行于界面的方向扩展，最终导致基体完全断裂。
采用20个以AlN、Si3N4、Al2O3为陶瓷基板、Al2O3中添加9%锆的IGBT模块进行了500次循环（JM2级）和1000次循环（JM3级）的温度循环测试。测试前，对组件进行绝缘耐压测试。绝缘耐压试验在第100次循环时进行，之后每50次循环进行一次，直至第1000次循环。
AlN基板在第200次出现1个模块绝缘耐压失效，在第250次出现2个模块绝缘耐压失效，在第300次出现另外2个模块绝缘耐压失效。结果，5个模块全部出现绝缘耐压故障。第500次，也发现3个Al2O3模块绝缘耐压不合格。 Si3N4和Al2O3（掺9%锆）陶瓷基体经过1000次温度循环后，绝缘耐压全部合格。这证明了陶瓷基体裂纹扩展理论分析的合理性。 AlN的可靠性比Si3N4和Al2O3差，Al2O3的可靠性比Si3N4差。
模拟
以650V/200A IGBT模块为研究对象，利用ANSYS有限元方法对不同陶瓷基板的稳态温度场进行了数值模拟。比较不同基材的热阻，提供最佳的导热方案。
在相同功率和换热条件下，Al2O3 IGBT模块最高稳态工作温度为125.39℃，对应底部温度为103.00℃，热阻为0.022℃/W。 FRD芯片的最高稳态工作温度为89.95℃，对应底部温度为65.21℃，热阻为0.049℃/W。
氧化铝IGBT芯片和FRD芯片的稳态工作温度分布
在相同功率和热交换条件下，采用Si3N4的IGBT模块最高稳定工作温度为117.75℃，底部温度为104.74℃，热阻为0.013℃/W。 FRD芯片最高稳定工作温度为82.08℃，底部温度为64.65℃，热阻为0.036℃/W。
氮化硅IGBT芯片和FRD芯片的稳态工作温度分布
在相同功率和热交换条件下，采用AlN的IGBT模块最高稳态工作温度为116.76℃，对应底部温度为101.10℃，热阻为0.015℃/W。 FRD芯片的最高稳态工作温度为80.93℃，对应底部温度为63.82℃，热阻为0.034℃/W。
不同陶瓷材料的IGBT结构和热阻比较表明，AlN和Si3N4的热阻相当，而Al2O3的导热性相对较差，热阻值较高。
结论
本文使用650V/200A IGBT模块进行了温度循环测试。根据测试结果，得出以下结论：
● 陶瓷基板的失效发生在靠近陶瓷侧焊接界面的基板边缘。
● 考虑到实际加工的氮化铝基板厚度是氮化硅基板的2倍，利用ANSYS有限元方法建立了不同DBC热阻的模型。计算结果表明氮化铝衬底的热阻与氮化硅衬底的热阻一致。
● 氮化硅陶瓷覆铜板的性能最好。高可靠性的IGBT模块应采用氮化硅作为基板材料。
