目前大功率SiC IGBT器件常用高熔點(diǎn)的高鉛焊料作為固晶材料，為保證功率器件的長(zhǎng)期使用，需研究溫度沖擊條件下高鉛焊點(diǎn)的疲勞可靠性，并探究其失效機(jī)理。下面，我們使用冷熱氣流沖擊試驗(yàn)儀，探究SiC芯片和基板的固晶材料的溫度沖擊對(duì)疲勞失效的影響。
IGBT器件熱沖擊失效分析：
試驗(yàn)設(shè)備：環(huán)儀儀器 冷熱氣流沖擊試驗(yàn)儀
試驗(yàn)材料：SiC芯片、DBC基板和高鉛焊料
1.SiC晶片在藍(lán)膜上被切割成5 mm×5 mm芯片，背面鍍層為T(mén)i/Ni/Ag，厚度分別為：0.1 μm、0.3 μm和0.4 μm。
2.DBC基板尺寸為30 mm×15 mm×0.9 mm，中間陶瓷層的厚度為0.5 mm，雙面敷銅層的厚度為0.2 mm。
試驗(yàn)過(guò)程：
1.使用冷熱氣流沖擊試驗(yàn)儀對(duì)樣品進(jìn)行不同次數(shù)的溫度沖擊試驗(yàn)，選取JEDEC中的溫度沖擊條件：高溫150 ℃保持15 min，低溫-65 ℃保持15 min。
2.將焊接好的樣品分別進(jìn)行0次、250次、500次、750次和1 000次溫度沖擊。在溫度沖擊后，使用環(huán)氧樹(shù)脂將樣品鑲嵌，并用砂紙和拋光劑對(duì)樣品的厚度方向截面進(jìn)行打磨和拋光，然后使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察焊點(diǎn)的縱向截面，并用能譜儀（EDS）分析焊料層中的物質(zhì)成分。
3.每組經(jīng)歷過(guò)不同次數(shù)溫度沖擊的樣品中，取三個(gè)使用推力儀進(jìn)行推力試驗(yàn)，得到的推力大小取平均值作為該次數(shù)溫度沖擊后焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度。推力試驗(yàn)中推刀高度為80 μm，推刀移動(dòng)速度100 μm/s。
試驗(yàn)結(jié)果：
下圖為溫度沖擊后焊點(diǎn)的縱向截面組織與形貌。
在溫沖前焊點(diǎn)中，芯片和焊點(diǎn)的上界面會(huì)生成塊狀的IMC其放大圖像和成分組成下圖(a)所示，其為Ag3Sn而下層為連續(xù)的扇貝狀Cu3Sn，如下圖(b)所示。
1.溫度沖擊后，焊點(diǎn)剪切截面的部分?jǐn)嗔褏^(qū)域會(huì)從芯片鍍層變化到Cu3Sn界面；由于Ag和Sn在焊點(diǎn)內(nèi)部生成Ag3Sn，導(dǎo)致焊點(diǎn)基體變脆，在750次溫度沖擊后，焊料基體斷裂形式由韌性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變，焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度迅速降低。
2.溫度沖擊會(huì)導(dǎo)致焊料層在熱失配的作用下受到較大的熱應(yīng)力，并且在焊料層的上界面邊角處出現(xiàn)了應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變能集中；焊料層上界面不均勻分布的塊狀A(yù)g3Sn會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致界面邊角位置的應(yīng)力變得復(fù)雜與集中，最終在界面處的Ag3Sn中萌生裂紋。
如需了解更多冷熱氣流沖擊試驗(yàn)儀的試驗(yàn)研究，可以咨詢環(huán)儀儀器相關(guān)技術(shù)人員。
