Analyse des cycles de température et des caractéristiques d'isolation des modules IGBT haute fiabilité

L'IGBT est un nouveau type de dispositif à semi-conducteur de puissance qui intègre les avantages du BJT (transistor à jonction bipolaire) et du MOSFET (transistor à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur), caractérisé par une haute tension, un courant important, une impédance d'entrée élevée, une faible puissance de commande et une vitesse de commutation rapide. Il est extrêmement demandé dans des applications telles que les systèmes de commande de servomoteurs de missiles, les armes laser et les systèmes de commande de vol des avions de combat. Sa fiabilité détermine en grande partie la fiabilité de l'ensemble de l'appareil. À mesure que la tension et le courant de fonctionnement de l'IGBT augmentent et que la taille de la puce diminue continuellement, la densité de puissance de la puce augmente fortement, faisant de la dissipation thermique et de la fiabilité les problèmes clés à résoudre.

Les substrats céramiques sont les matériaux clés les plus largement utilisés pour les modules IGBT. Ils présentent une excellente conductivité thermique, une excellente résistance à la chaleur, des propriétés d'isolation et un faible coefficient de dilatation, et conviennent au collage de fils d'aluminium. Les substrats céramiques cuivrés sont constitués d’une couche de circuit métallique et d’une couche de céramique. En raison de la différence de dilatation thermique importante entre la céramique et le métal, la contrainte thermique générée lors de l'utilisation peut provoquer la fissuration et la défaillance du substrat. Les fissures se produisent généralement dans les zones de concentration de contraintes ou de contraintes élevées dans le matériau. Après des cycles suffisants, des fissures apparaissent au niveau de la concentration de contraintes ou des zones de déformation élevée du matériau, et une expansion supplémentaire des fissures se produit sous l'action de charges cycliques jusqu'à ce que le matériau se fracture complètement. Par conséquent, l’étude de la fiabilité des cycles thermiques des substrats céramiques revêt une grande importance.

État actuel des matériaux de substrat céramique

Les matériaux DBC (carte céramique plaquée cuivre) pour les modules IGBT comprennent principalement trois types : substrat céramique en oxyde d'aluminium, substrat céramique en nitrure d'aluminium et substrat céramique en nitrure de silicium.

● Al2O3 est le matériau le plus couramment utilisé, présentant d'excellentes propriétés d'isolation, de stabilité chimique et mécaniques. Le procédé est relativement mature, le coût est faible, mais Al2O3 a une faible conductivité thermique et son coefficient de dilatation thermique ne correspond pas bien à celui des puces semi-conductrices (le Si a généralement 2,8×10-6·K-1). Il convient aux modules IGBT de moyenne et faible puissance.

● AlN a une conductivité thermique élevée, environ 6 fois celle de Al2O3. Son coefficient de dilatation thermique est relativement compatible avec les puces semi-conductrices. Cependant, il est difficile de recouvrir directement le cuivre sur sa surface et le coût est environ 4 fois supérieur à celui de l'Al2O3. L'AlN peut se décomposer en oxyde d'aluminium hydraté à des températures et une humidité plus élevées. Sa résistance à la flexion et à la rupture sont relativement faibles, ce qui le rend sujet aux fissures pendant le processus de cycle thermique après le soudage, ce qui affecte la fiabilité de l'ensemble du module de puissance. Il convient aux modules IGBT haute puissance.

● Le coefficient de dilatation thermique du Si₃N₄ correspond le mieux à celui de la puce semi-conductrice. Ses propriétés mécaniques sont plus de deux fois celles de l'Al₂O₃ et de l'AlN, sa conductivité thermique est plus de 2,5 fois celle de l'Al₂O₃, il a une légèreté à haute température, une excellente résistance aux chocs thermiques et son coût est environ 2,5 fois celui de l'Al₂O₃. Pour les modules IGBT haute puissance, le nitrure de silicium est actuellement le matériau optimal.

T est de cyclage en température

Pour garantir que l’IGBT répond aux exigences d’évaluation du niveau JM2, il est nécessaire d’évaluer la fiabilité de l’IGBT. Actuellement, la méthode couramment utilisée est le test de cyclage de température. L'IGBT est chauffé et refroidi dans son ensemble à l'aide d'une chambre d'essai de choc thermique, provoquant des changements de température dans tout le module. Conformément aux exigences du GJB128A « Méthodes de test pour les dispositifs discrets à semi-conducteurs », la plage de température est de -55 à 150 ℃, le temps de transfert ne doit pas dépasser 1 minute et le temps de maintien ne doit pas être inférieur à 10 minutes. Dans la norme IEC60749-25 « Tests de variation mécanique et climatique pour les dispositifs à semi-conducteurs - Partie 25 : Cyclage de température », le temps de maintien doit être ≥ 15 minutes. Par conséquent, le temps de maintien du test de cyclage de température a été prolongé à 30 minutes pour vérifier la fiabilité du substrat céramique.

① Objectif du test

Déterminer la capacité de l'IGBT à résister à des températures extrêmement élevées et basses, ainsi que l'impact d'une exposition alternée à de telles températures extrêmes sur la tension de tenue d'isolement de l'IGBT. Il s’agit également d’étudier les phénomènes de défaillance correspondants de l’IGBT au fil du temps dans des conditions d’utilisation et de stockage difficiles.

②Conditions d'essai

Avant le test, il est nécessaire de confirmer que le boîtier de température de l'équipement est dans la période de validité de l'étalonnage pour garantir la validité des résultats du test. L'emplacement du module doit garantir qu'il n'obstrue pas le flux d'air à l'intérieur de la chambre d'essai. Les conditions de température de test sont de -55 à 150 ℃, avec un temps de maintien de 30 minutes, soit un total de 1 000 cycles. Le temps de transfert entre la zone chaude et la zone froide ne doit pas dépasser 1 minute. Après le test, le test de tension de tenue d'isolation doit être effectué dans les 8 heures pour être efficace.

③ Mécanisme de défaillance

Le substrat céramique est une structure composite bi-matériau à trois couches composée de cuivre-céramique-cuivre. Lors du test de cyclage de température, lorsque le substrat dans son ensemble subit uniformément des charges de température qui varient dans le temps, en raison de l'inadéquation des coefficients de dilatation thermique entre le cuivre et la céramique et de la présence de contraintes de déformation, une concentration de contraintes se produit à l'interface, en particulier au niveau des changements géométriques brusques (communément appelés points singuliers).

Lorsque la charge de température externe atteint 150 ℃, la couche de cuivre sur le substrat céramique subira une déformation plastique. Au cours du processus de cycle de température, la déformation plastique de la couche de cuivre s'accumule de manière significative et une concentration de contraintes se produit au point de changement géométrique brutal de la couche de cuivre et de l'interface céramique. En raison de la singularité de contrainte relativement faible à l'extrémité de l'interface, lorsque la concentration de contraintes se produit à l'interface, la rupture du matériau de liaison commencera à partir de la position de concentration de contraintes, générant ainsi des fissures. Dans le même temps, pendant le processus de fabrication du substrat céramique, il existe une différence significative entre 1 066 ℃ et la température ambiante, et le substrat présente certaines contraintes résiduelles. Cela entraînera une déviation de la fissure par rapport à la direction originale de la fissure et une extension dans la matrice céramique, entraînant une défaillance. De plus, la céramique est formée par frittage de poudre, et il existe des fissures ou des vides extrêmement minuscules comme défauts inhérents. Ces défauts inhérents vont également agir comme des points faibles de la matrice céramique et induire l’extension de la fissure dans la direction du défaut. Une fois que la fissure s'étend sur une certaine longueur, elle continue de s'étendre dans la direction parallèle à l'interface, conduisant finalement à la fracture complète du substrat.

Vingt modules IGBT avec AlN, Si3N4, Al2O3 comme substrats céramiques et 9 % de zirconium ajouté à Al2O3 ont été utilisés pour 500 cycles (niveau JM2) et 1 000 cycles (niveau JM3) de tests de cyclage de température. Avant les tests, des tests de tension de tenue d'isolement ont été réalisés sur les modules. L'essai de tension de tenue d'isolement a été effectué au 100ème cycle, puis tous les 50 cycles jusqu'au 1000ème cycle.

Le substrat AlN présentait 1 module d'isolation résistant à une défaillance de tension à la 200e occasion, 2 modules d'isolation résistant à des pannes de tension à la 250e occasion et 2 autres modules d'isolation résistant à des pannes de tension à la 300e occasion. En conséquence, les 5 modules présentaient des défaillances de tension de tenue à l'isolation. À la 500ème fois, les tensions de tenue d'isolation de 3 modules Al2O3 se sont également avérées défaillantes. Après 1 000 cycles de température, les tensions de tenue d'isolation des substrats céramiques Si3N4 et Al2O3 (dopés à 9 % de zirconium) ont toutes été qualifiées. Cela prouve la rationalité de l’analyse théorique de la propagation des fissures dans les substrats céramiques. La fiabilité de l'AlN est inférieure à celle du Si3N4 et de l'Al2O3, et la fiabilité de l'Al2O3 est inférieure à celle du Si3N4.

Simulation

En prenant le module IGBT 650 V/200 A comme objet de recherche, le champ de température en régime permanent de différents substrats céramiques a été simulé à l'aide de la méthode des éléments finis ANSYS. Les résistances thermiques de différents substrats ont été comparées pour fournir la meilleure solution de conduction thermique.

Dans les mêmes conditions de puissance et d'échange thermique, la température de fonctionnement en régime permanent la plus élevée du module IGBT Al2O3 était de 125,39 ℃, correspondant à une température inférieure de 103,00 ℃, et la résistance thermique était de 0,022 ℃/W. La température de fonctionnement en régime permanent la plus élevée de la puce FRD était de 89,95 ℃, correspondant à une température inférieure de 65,21 ℃, et la résistance thermique était de 0,049 ℃/W.

Répartition de la température de fonctionnement en régime permanent des puces IGBT en alumine et des puces FRD

Dans les mêmes conditions de puissance et d'échange thermique, la température de fonctionnement stable maximale du module IGBT utilisant Si3N4 est de 117,75℃, la température inférieure étant de 104,74℃ et la résistance thermique étant de 0,013℃/W. La température de fonctionnement stable maximale de la puce FRD est de 82,08 ℃, la température inférieure étant de 64,65 ℃ et la résistance thermique étant de 0,036 ℃/W.

Répartition de la température de fonctionnement en régime permanent des puces IGBT en nitrure de silicium et des puces FRD

Dans les mêmes conditions de puissance et d'échange thermique, la température de fonctionnement maximale en régime permanent du module IGBT utilisant AlN est de 116,76 ℃, correspondant à une température inférieure de 101,10 ℃ et une résistance thermique de 0,015 ℃/W. La température de fonctionnement maximale en régime permanent de la puce FRD est de 80,93 ℃, correspondant à une température inférieure de 63,82 ℃ et une résistance thermique de 0,034 ℃/W.

La comparaison des structures IGBT et des résistances thermiques de différents matériaux céramiques montre que les résistances thermiques de l'AlN et du Si3N4 sont comparables, tandis que la conductivité thermique de l'Al2O3 est relativement faible et sa valeur de résistance thermique est plus élevée.

Conclusion

Cet article a effectué un test de cyclage de température à l'aide d'un module IGBT 650 V/200 A. Sur la base des résultats des tests, les conclusions suivantes ont été tirées :

● La défaillance du substrat céramique s'est produite au bord du substrat près de l'interface de soudure du côté céramique.

● Considérant que le traitement réel des substrats en nitrure d'aluminium est deux fois plus épais que celui des substrats en nitrure de silicium, un modèle avec différentes résistances thermiques DBC a été établi à l'aide de la méthode des éléments finis ANSYS. Les résultats du calcul ont indiqué que la résistance thermique du substrat en nitrure d'aluminium était cohérente avec celle du substrat en nitrure de silicium.

● Les performances du stratifié cuivré en céramique de nitrure de silicium sont les meilleures. Les modules IGBT haute fiabilité doivent utiliser du nitrure de silicium comme matériau de substrat.