CN116859206B - 一种功率模块中键合界面最小剩余长度预测方法 - Google Patents
一种功率模块中键合界面最小剩余长度预测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种功率模块中键合界面最小剩余长度预测方法，包括：在步骤（A1）、（A2）、（A3）中，分别令功率循环次数、开通时间、导通电流作为单一变量进行变化，分别拟合得到以功率循环次数、开通时间、导通电流为自变量的函数；将步骤（A1）、（A2）、（A3）得到的3个函数相乘后再乘以L0，利用N1组参数、N2组参数、N3组参数确定L0的值，从而得到对功率模块中键合界面最小剩余长度进行预测的公式。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率半导体器件的封装可靠性评估方法，尤其是涉及一种功率模块中键合界面最小剩余长度预测方法，属于功率半导体器件封装可靠性中的功率模块寿命预测领域。
背景技术
作为功率变流器的核心部件，IGBT功率模块被广泛应用于电动汽车、新能源发电、智能电网等新兴领域。功率器件的可靠性研究一直都是电力电子行业的热点问题。针对功率器件可靠性评估的研究发现，在功率器件的故障中，超过25%的故障由封装失效引起。据统计，在功率器件的封装失效中，键合线失效占比接近50%。键合线作为IGBT功率模块中最薄弱部分之一，在模块电热性能方面发挥着至关重要的作用。因此，探究键合线跟脚裂纹扩展规律，同时对其进行相应的健康状态评估对IGBT模块可靠性的影响具有重要意义。
作为功率器件可靠性研究的重要内容，键合线健康状态监测方法被不断的改进和完善。现有的方法，主要分为以下几种方法：
第一种方法：监测大电流下器件的通态压降Vce监测方法，但这种方法仅仅适用于单芯片的键合线状态监测，并不能应用于多芯片并联成一个IGBT的功率半导体器件，且该方法需要设计额外的针对Vce的采样电路，对于采样电路中二极管的选型较为严苛，需要使它们的特性在工作中始终完全相同；
第二种方法：监测集电极-发射极动态电阻的变化的监测方法，但该方法不仅需要同时获取器件的通态压降，导通电流，以及用于表征结温的门极电压阈值，还需要通过递归最小二乘算法和判别分析法进行复杂的计算，这使得该方法的应用代价高，使用并不友好；
第三种方法：拐点处的短路电流的监测方法，但是该监测方法要求IGBT模块工作在有源区，短路时序的插入对功率模块有潜在危害，此外，该方法对功率模块驱动电压敏感，易受阈值电压漂移的影响；
第四种方法：门极电流或门极电压或集电极-发射极关断过冲电压的监测方法。但是该监测方法对信号采集和数据存储提出了极高的要求，限制了方法的实用性。
发明内容
本发明要解决的问题是针对现有技术中键合线健康状态的监测方法对硬件采集电路、信号采集和数据存储性能要求较高，使得实用效果较差的问题，提供一种功率模块中键合界面最小剩余长度预测方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种功率模块中键合界面最小剩余长度预测方法，包括：
（A1）在功率循环老化实验中，令功率模块的导通电流Ic、功率循环周期中的开通时间ton保持不变，调整功率循环次数N为取值不同的N1个值，确定与所述N1个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre，得到N1组参数，且根据所述N1个值、与N1个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre拟合得到如下表达式：
Lre=f(N)；
其中，f(N)为拟合得到的以功率循环次数N为自变量的函数；N1组参数中的每组参数中，功率模块的导通电流Ic、功率循环周期中的开通时间ton、功率循环次数N、键合界面最小剩余长度Lre一一对应；
（A2）在功率循环老化实验中，令功率模块的导通电流Ic、功率循环次数N保持不变，调整功率循环周期中的开通时间ton为取值不同的N2个值，确定与所述N2个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre，得到N2组参数，且根据所述N2个值、与N2个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre拟合得到如下表达式：
Lre=g(ton)；
其中，g(ton)为拟合得到的以功率循环周期中的开通时间ton为自变量的函数；N2组参数中的每组参数中，功率模块的导通电流Ic、功率循环周期中的开通时间ton、功率循环次数N、键合界面最小剩余长度Lre一一对应；
（A3）在功率循环老化实验中，令功率循环次数N、功率循环周期中的开通时间ton保持不变，调整功率模块的导通电流Ic为取值不同的N3个值，确定与所述N3个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre，得到N3组参数，且根据所述N3个值、与N3个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre拟合得到如下表达式：
Lre=h(Ic)；
其中，h(Ic)为拟合得到的以功率模块的导通电流Ic为自变量的函数；N3组参数中的每组参数中，功率模块的导通电流Ic、功率循环周期中的开通时间ton、功率循环次数N、键合界面最小剩余长度Lre一一对应；
（B）令Lre=L0×f(N)×g(ton)×h(Ic)，其中L0为待确定常数，利用所述N1组参数、所述N2组参数、所述N3组参数确定L0的值；
（C）利用步骤（B）得到的公式Lre=L0×f(N)×g(ton)×h(Ic)，对功率模块中键合界面最小剩余长度进行预测；
其中，步骤（A1）、步骤（A2）、步骤（A3）可同时执行，或者步骤（A1）、步骤（A2）、步骤（A3）的执行次序可任意调换。
本发明中，在步骤（A1）、（A2）、（A3）中，分别令功率循环次数、开通时间、导通电流作为单一变量进行变化，分别拟合得到以功率循环次数、开通时间、导通电流为自变量的函数，即分别得到功率循环次数、开通时间、导通电流与键合界面最小剩余长度的关系式。将步骤（A1）、（A2）、（A3）得到的3个函数相乘后再乘以L0，利用N1组参数、N2组参数、N3组参数确定L0的值，从而得到对功率模块中键合界面最小剩余长度进行预测的公式。本发明中确定功率模块中键合界面最小剩余长度与功率循环次数、开通时间、导通电流的关系式的步骤较为简单，较容易在实际中得到应用。本发明得到确定键合界面最小剩余长度的公式后，仅需代入功率循环次数、开通时间、导通电流，即可预测得到键合界面最小剩余长度，从而可确定键合界面的状态，了解键合界面在功率循环老化过程中的脱落情况，从而实现对键合线健康状态的有效监测。
上述技术方案中，f(N)=a1×Na2。其中，a1、a2分别为根据所述N1个值、与N1个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre拟合得到的第一系数、第二系数。
上述技术方案中，g(ton)=a3×[a4-ln(ton)]。其中，a3、a4分别为根据所述N2个值、与N2个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre拟合得到的第三系数、第四系数。
上述技术方案中，h(Ic)=a5×[(Ic)2-a6×Ic+a7)]。其中，a5、a6、a7分别为根据所述N3个值、与N3个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre拟合得到的第五系数、第六系数、第七系数。
上述技术方案中，所述功率模块的型号为SKM50GB12T4。
所述步骤（C）中的公式Lre=L0×f(N)×g(ton)×h(Ic)具体为：
Lre=[1.14-0.15×ln(ton)]×[0.0061×(Ic)2-0.6622×Ic+18.1]×(9164.52×N-0.9006)。
上述技术方案中，所述键合界面最小剩余长度Lre为功率模块的各根键合线在功率模块中芯片上表面形成的各个键合界面的剩余长度中的最小值，所述芯片为IGBT芯片或SIC芯片。
本发明中，当功率模块中仅有一个芯片时，则所述键合界面最小剩余长度Lre为功率模块的各根键合线在该一个芯片上表面形成的各个键合界面的剩余长度中的最小值；当功率模块中有多个芯片（例如多个芯片并联）时，则所述键合界面最小剩余长度Lre为功率模块的各根键合线在所述多个芯片上表面形成的各个键合界面的剩余长度中的最小值。
上述技术方案中，所述键合线包括依次连接的第一延伸段、第一拱形段、第二延伸段、第二拱形段；
所述第一延伸段、第二延伸段均在芯片上表面延伸，所述第一拱形段两端以及所述第二拱形段一端均位于芯片的上表面，所述第二拱形段另一端位于上铜层上表面；
所述第一拱形段两端、所述第二拱形段一端为所述键合线的位于芯片上表面的3个跟脚；
所述第一延伸段、第二延伸段为所述键合线的两个键合界面；
所述键合界面的长度为所述键合界面在第一方向上的尺寸，所述第一方向为所述键合线在芯片上表面的投影的延伸方向。
上述技术方案中，所述步骤（A1）、步骤（A2）、步骤（A3）中，所述键合界面最小剩余长度Lre的确定方法为：确定所述各个键合界面中完全脱落时刻最早的键合界面，将完全脱落时刻最早的键合界面的剩余长度作为所述键合界面最小剩余长度Lre。
上述技术方案中，所述完全脱落时刻最早的键合界面的确定方法为：
在功率循环老化实验或功率循环老化仿真中，令功率模块的导通电流Ic为预设值I0，令功率循环周期中的开通时间ton为预设值t0，令功率循环次数N为预设值N0，确定各个键合界面的剩余长度/各个键合界面所在位置的温度；
将各个键合界面的剩余长度中的最小长度值所对应的键合界面/各个键合界面所在位置的温度中的最大温度值所对应的键合界面，作为所述完全脱落时刻最早的键合界面。
本发明中，通过上述设置，即可确定与预设值I0、预设值t0、预设值N0对应的各个键合界面的剩余长度/各个键合界面所在位置的温度。若在功率循环老化过程中，某个键合界面所在位置的温度为最高/剩余长度为最小，则在功率循环老化过程中，该键合界面会一直保持温度最高/剩余长度最小的状态，即该键合界面的脱落时间在各个键合界面的脱落时间中为最早。根据上述方法，即可确定完全脱落时刻最早的键合界面。即在步骤（A1）、（A2）、（A3）中，即可仅测量该键合界面的剩余长度，从而无需测量所有键合界面的剩余长度。
上述技术方案中，所述键合界面的剩余长度的确定方法为：
将带颜色的染液滴在键合界面所在位置附近，等待第一预设时间后，将功率模块放入干燥箱中，等待第二预设时间后，将功率模块取出，拔掉键合线，测量键合界面所在位置中未被染色区域的尺寸，从而得到所述键合界面的剩余长度。
本发明中，通过上述方法，即可得到所述键合界面的剩余长度。
基于上述技术方案，本发明提出的功率模块中键合界面最小剩余长度预测方法具有以下有益效果：
1、本发明不需要额外的硬件测量电路、信号采集和数据存储电路，降低了监测方法的成本和难度；
2、与现有的键合线健康状态监测方法相比，本发明可以应用于不同封装器件（包括单芯片和多芯片并联器件）最先脱落的键合线健康状态评估，具有良好的通用性；
3、与现有的键合线健康状态监测方法相比，本发明可用于最先脱落键合界面裂纹扩展长度（即键合线已脱落部分的长度）和剩余长度的实时监测评估。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中一种功率模块中键合界面最小剩余长度预测方法流程图；
图2是芯片与上铜层通过键合线连接的立体结构示意图；
图3是图2中功率模块的封装结构的侧视图；
图4是图3中EB结构的放大示意图；
图5是键合线的俯视示意图；
图6是本发明实施例中功率模块中键合界面实际裂纹扩展剖面图；
图7是本发明实施例中导通电流为47A、开通时间为4s下不同功率循环次数的键合界面最小剩余长度示意图；
图8是本发明实施例中导通电流为50A、开通时间为4s下不同功率循环次数的键合界面最小剩余长度示意图；
图9是本发明实施例中导通电流为52A、开通时间为4s下不同功率循环次数的键合界面最小剩余长度示意图；
图10是本发明实施例中导通电流为50A、开通时间为2s下不同功率循环次数的键合界面最小剩余长度示意图；
图11是本发明实施例中导通电流为50A、开通时间为10s下不同功率循环次数的键合界面最小剩余长度示意图；
图12是本发明实施例中导通电流为54A、开通时间为5s下不同功率循环次数的键合界面最小剩余长度实测示意图。
上述附图中：10、芯片；20、二极管；101、芯片焊料层；102、上铜层；103、陶瓷层；104、下铜层；105、衬底焊料层；106、基板层；11、第一拱形段；12、第二拱形段；13、第一延伸段；14、第二延伸段；4、键合线；10A、铝镀层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一种实施例，而不是全部的实施例。下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述。
实施例
传统的功率半导体器件中功率模块的封装结构截面图（即侧视图）如图3所示，芯片10下面依次设置芯片焊料层101、上铜层102、陶瓷层103、下铜层104、衬底焊料层105、基板层106。
如图2-图5所示，所述键合线包括依次连接的第一延伸段13、第一拱形段11、第二延伸段14、第二拱形段12；所述第一延伸段13、第二延伸段14均在芯片10上表面延伸，所述第一拱形段11两端以及所述第二拱形段12一端均位于芯片10的上表面，所述第二拱形段12另一端位于上铜层102上表面；所述第一拱形段11两端、所述第二拱形段12一端为所述键合线的位于芯片10上表面的3个跟脚；所述第一延伸段13、第二延伸段14为所述键合线的两个键合界面；所述键合界面的长度为所述键合界面在第一方向上的尺寸，所述第一方向为所述键合线在芯片上表面的投影的延伸方向。
跟脚即为与芯片表面贴合的、键合线的拱形段的根部。如图4所示，跟脚P1、跟脚P2即为第一拱形段11的根部，即跟脚P1为第一拱形段11和在芯片上表面延伸的第一延伸段13的交接处，跟脚P2为第一拱形段11和在芯片上表面延伸的第二延伸段14的交接处。跟脚P3为第二拱形段12和第二延伸段14的交接处。图2中各个箭头所指的位置，即为与各根键合线对应的跟脚P3的位置。例如，第二延伸段14对应的键合界面的长度，即为第一方向上P2、P3之间的距离。当键合线脱落时，例如跟脚P2的位置向右移动，或跟脚P3的位置向左移动，则键合界面的长度也相应减小。
IGBT功率模块中设置有IGBT芯片和二极管芯片。申请人研究发现，在老化过程中，二极管芯片的键合界面几乎不会老化，因此，针对IGBT功率模块，本申请的键合界面仅考虑IGBT芯片上的键合界面。
本发明以IGBT半桥模块SKM50GB12T4为例。随着键合线的老化，键合界面会萌生裂纹，并在热应力的长期作用下，裂纹会逐渐从键合界面两端向中心扩展，如图6所示。
本发明中，功率循环老化实验指的是功率模块开始老化过程之后的实验。其中，饱和压降Vce第一次发生跳变，说明老化最严重的键合界面首先完全脱落了。在功率循环老化实验中，执行功率循环次数，是指从功率模块刚刚投入工作开始起算的功率循环次数。功率模块在进行老化实验的第一次循环开始就认为功率模块开始老化了。本申请中，功率循环次数的取值可根据饱和压降Vce（即集电极-发射极之间电压）进行设定。例如，功率循环次数的取值范围为Vce变化超过预设百分比时（例如10%或20%）且Vce未发生跳变时对应的功率循环次数的范围。
本发明提供一种功率模块中键合界面最小剩余长度预测方法，包括：
（A1）在功率循环老化实验中，令功率模块的导通电流Ic、功率循环周期中的开通时间ton保持不变，调整功率循环次数N为取值不同的N1个值，确定与所述N1个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre，得到N1组参数，且根据所述N1个值、与N1个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre拟合得到如下表达式：
Lre=f(N)；
其中，f(N)为拟合得到的以功率循环次数N为自变量的函数；N1组参数中的每组参数中，功率模块的导通电流Ic、功率循环周期中的开通时间ton、功率循环次数N、键合界面最小剩余长度Lre一一对应；
（A2）在功率循环老化实验中，令功率模块的导通电流Ic、功率循环次数N保持不变，调整功率循环周期中的开通时间ton为取值不同的N2个值，确定与所述N2个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre，得到N2组参数，且根据所述N2个值、与N2个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre拟合得到如下表达式：
Lre=g(ton)；
其中，g(ton)为拟合得到的以功率循环周期中的开通时间ton为自变量的函数；N2组参数中的每组参数中，功率模块的导通电流Ic、功率循环周期中的开通时间ton、功率循环次数N、键合界面最小剩余长度Lre一一对应；
（A3）在功率循环老化实验中，令功率循环次数N、功率循环周期中的开通时间ton保持不变，调整功率模块的导通电流Ic为取值不同的N3个值，确定与所述N3个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre，得到N3组参数，且根据所述N3个值、与N3个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre拟合得到如下表达式：
Lre=h(Ic)；
其中，h(Ic)为拟合得到的以功率模块的导通电流Ic为自变量的函数；N3组参数中的每组参数中，功率模块的导通电流Ic、功率循环周期中的开通时间ton、功率循环次数N、键合界面最小剩余长度Lre一一对应；
（B）令Lre=L0×f(N)×g(ton)×h(Ic)，其中L0为待确定常数，利用所述N1组参数、所述N2组参数、所述N3组参数确定L0的值；
（C）利用步骤（B）得到的公式Lre=L0×f(N)×g(ton)×h(Ic)，对功率模块中键合界面最小剩余长度进行预测；即只要确定N的取值、ton的取值、Ic的取值，即可根据上述公式得到Lre的预测值。
步骤（A1）、步骤（A2）、步骤（A3）可同时执行，或者步骤（A1）、步骤（A2）、步骤（A3）的执行次序可任意调换。
根据步骤（A1）拟合得到的表达式形式为：f(N)=a1×Na2。其中，a1、a2分别为根据所述N1个值、与N1个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre拟合得到的第一系数、第二系数。N1、N2、N3的值可根据实际需要确定，即参数的组数只要满足可以拟合得到相应表达式即可。优选地，N1、N2、N3均不小于3。
本实施例中，拟合得到的第一系数a1=3856.643，第二系数a2=-0.9006。
根据步骤（A2）拟合得到的表达式形式为：g(ton)=a3×[a4-ln(ton)]。其中，a3、a4分别为根据所述N2个值、与N2个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre拟合得到的第三系数、第四系数。
本实施例中，拟合得到的第三系数a3=0.0824，第四系数a4=1.14/0.15=7.6。
根据步骤（A3）拟合得到的表达式形式为：h(Ic)=a5×[(Ic)2-a6×Ic+a7)]。其中，a5、a6、a7分别为根据所述N3个值、与N3个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre拟合得到的第五系数、第六系数、第七系数。
本实施例中，拟合得到的第五系数a5=0.013，第六系数a6=6622/61，第七系数a7=181000/61。
所述功率模块的型号为SKM50GB12T4。
所述步骤（C）中的公式Lre=L0×f(N)×g(ton)×h(Ic)具体为：
Lre=u(Ic,N,ton)=[1.14-0.15×ln(ton)]×[0.0061×(Ic)2-0.6622×Ic+18.1]×(9164.52×N-0.9006)；
其中，u(Ic,N,ton)是以Ic、N、ton为自变量的函数。
所述键合界面最小剩余长度Lre为功率模块的各根键合线在功率模块中芯片上表面形成的各个键合界面的剩余长度中的最小值，所述芯片为IGBT芯片或SIC芯片。
所述步骤（A1）、步骤（A2）、步骤（A3）中，所述键合界面最小剩余长度Lre的确定方法为：确定所述各个键合界面中完全脱落时刻最早的键合界面，将完全脱落时刻最早的键合界面的剩余长度作为所述键合界面最小剩余长度Lre。
所述完全脱落时刻最早的键合界面的确定方法为：
在功率循环老化实验或功率循环老化仿真中，令功率模块的导通电流Ic为预设值I0，令功率循环周期中的开通时间ton为预设值t0，令功率循环次数N为预设值N0，确定各个键合界面的剩余长度/各个键合界面所在位置的温度；
将各个键合界面的剩余长度中的最小长度值所对应的键合界面/各个键合界面所在位置的温度中的最大温度值所对应的键合界面，作为所述完全脱落时刻最早的键合界面。经过实验确定，本实施例中，图5中从左边数第3根键合线的第一延伸段13即为完全脱落时刻最早的键合界面。
所述键合界面的剩余长度的确定方法为：将带颜色（例如黑色或能识别的彩色）的染液滴在键合界面所在位置附近，等待第一预设时间后，将功率模块放入干燥箱中，等待第二预设时间后，将功率模块取出，拔掉键合线，测量键合界面所在位置中未被染色区域的尺寸，从而得到所述键合界面的剩余长度。
以下对本发明实施例进一步说明。
本发明提出一种功率模块中键合界面最小剩余长度预测方法。该方法将功率器件中最先脱落的键合线跟脚的剩余长度与功率循环次数以及导通电流建立相应的函数关系。在获取该函数关系后，就可以对不同工况下器件中最先脱落的键合线的键合界面剩余长度（即键合界面最小剩余长度）进行估计，从而对不同功率循环下器件最先脱落键合线的老化程度进行评估。其中，一个功率循环周期由芯片的开通时间、芯片的关断时间构成。
本申请中，采用同一个型号的功率模块进行实验，即对于不同功率模块施加不同的条件，当达到设定的功率循环次数时，则令相应功率模块暂停工作，进行相应测量（例如键合界面最小剩余长度Lre的测量）。当功率模块型号相同时，则所采用的步骤（C）的公式Lre=L0×f(N)×g(ton)×h(Ic)是相同的（即公式中表达式、参数完全相同）。当功率模块型号发生改变时，则得到的步骤（C）的公式会变化。
如图1所示，一种功率模块中键合界面最小剩余长度预测方法（即对功率半导体器件键合线的健康状态进行监测的方法），包括：
步骤1：由于键合线跟脚在老化过程中会造成裂纹萌生和扩展，最终导致键合线脱落，引起器件失效。由于键合线跟脚的裂纹萌生和扩展是由于键合线与芯片材料的热膨胀系数不匹配引起的热应力导致的，而热应力主要受到温度波动的影响，而在老化试验中，温度波动主要与导通电流、开通时间相关，因此，该方法通过控制单一变量法，设计了多组不同工况的针对器件键合线失效的功率循环实验，包括不同导通电流、不同开通时间的老化实验。
步骤2：通过染色法或其他缺陷检测方式来获取这些工况下不同功率循环次数器件最先脱落的键合界面剩余长度。
步骤3：从而通过Matlab等数据处理软件建立最先脱落键合线跟脚剩余长度与功率循环次数、开通时间以及导通电流的函数关系。
在本实施例中，设计了三组发生键合线失效的功率循环老化实验，这三组实验中，功率循环周期中的开通时间为4秒，关断时间是6秒。通过染色法来观测键合界面的剩余长度，染色法是首先需要将带颜色的染液或墨水滴在键合界面的位置附近，当键合界面有裂纹存在的时候，由于毛吸力的作用，染液或墨水会渗入到裂纹中，等待恰当的时间让染液或墨水填满裂纹，接着将器件放入到干燥箱中，将染液或墨水的水分蒸发，然后分别拔掉键合线，此时就可以通过光学显微镜测量出键合界面的剩余长度，即未被染色的区域。这三组老化实验的分导通电流Ic分别是47A，50A和52A。在导通电流Ic为47A的老化试验中，分别在功率循环次数N=15000次、56200次、96700次和137900次下通过染色法测量了对应的键合界面最小剩余长度Lre分别是0.7265μm、0.2021μm、0.1215μm和0.0845μm，如图7所示。类似的，在导通电流Ic为50A的老化试验中，分别在功率循环次数N=10000次、42000次、94000次和122000次下通过染色法测量了对应的键合界面最小剩余长度分别是0.4985μm、0.1598μm、0.08505μm和0.0690μm，如图8所示。在导通电流Ic为52A的老化试验中，分别在功率循环次数N为6500次、17600次、37500次、54600次和62700次下通过染色法测量了对应的键合界面最小剩余长度Lre分别是0.5301μm、0.2210μm、0.1136μm、0.0819和0.0725μm，如图9所示。实验发现，键合界面最小剩余长度Lre与导通电流呈二次函数关系，与功率循环数呈指数关系。
此外，开通时间ton也会影响键合界面裂纹扩展速率，导致在相同的功率循环下的键合界面最小剩余长度不同。因此，为了确定该参数如何影响键合界面老化程度，额外设计了不同开通时间ton分别为2s、4s、10s，相同导通电流50A的三组老化实验。在开通时间ton为2s的老化试验中，分别在功率循环次数N=10000次、30000次、80000次和120000次下通过染色法测量了对应的键合界面最小剩余长度Lre分别是0.5842μm、0.2035μm、0.0883μm和0.0585μm，如图10所示。类似的，在开通时间ton为10s的老化试验中，分别在功率循环次数N=10000次、25000次、60000次和100000次下通过染色法测量了对应的键合界面最小剩余长度分别是0.4233μm、0.2102μm、0.0865μm和0.0542μm，如图11所示。此外，开通时间ton为4s的老化试验结果已经在图8中展示。实验发现，键合界面最小剩余长度Lre与开通时间呈对数关系。本实施例中，可用功率循环次数N=10000次、Ic=50A、且开通时间ton分别为2s、4s、10s时对应的键合界面最小剩余长度的值，拟合得到键合界面最小剩余长度与开通时间ton的关系式。本领域技术人员可以理解，开通时间与关断时间之和即为一个功率循环周期。另外，本申请中仅对开通时间对剩余长度进行研究，而未研究关断时间的影响。这是因为，在现有论文中，均探究开通时间对老化的影响，并未探究关断时间对功率器件老化的影响，如：
（1）Huang Y, Jia Y, Luo Y, et al; Lifting-off of Al bonding wires inIGBT modules underpower cycling: failure mechanism and lifetime model[J];IEEE Journal ofEmerging and Selected Topics in Power Electronics, 2019, 8(3):3162-3173；
（2）Durand C, Klingler M, Coutellier D, et al; Power cyclingreliability of power module:A survey[J]; IEEE Transactions on Device andMaterials Reliability, 2016,16(1): 80-97；
（3）Abuelnaga A, Narimani M, Bahman A S; A review on IGBT modulefailure modes and lifetimetesting[J]; IEEE Access, 2021, 9: 9643-9663。
实验发现，键合界面最小剩余长度Lre与导通电流呈二次函数关系，与功率循环数次数呈指数关系。然后，将三组工况下的键合界面最小剩余长度与相应导通电流和功率循环次数通过Matlab软件进行拟合，得到如下函数关系：
Lre=u(Ic,N,ton)=[1.14-0.15×ln(ton)]×[0.0061×(Ic)2-0.6622×Ic+18.1]×(9164.52×N-0.9006)。
为了验证该方法的准确性，额外的验证实验被设计，分别是导通电流Ic=54A、开通时间ton=5s，关断时间为5s的功率循环实验。在该老化实验过程中，分别通过染色法在功率循环次数N=5000次、10000次、30000次和60000次下实际测量了对应的键合界面最小剩余长度分别是0.5182μm、0.2517μm、0.0962μm和0.0548μm。而通过本申请的上述公式计算得到的对应的键合界面最小剩余长度分别是0.4946μm、0.2650μm、0.0985μm和0.0528μm，得到在对应的功率循环次数N=5000次、10000次、30000次和60000次的误差分别为4.77%、5.02%、2.34%和3.79%，充分证实了该发明所提方法的准确性和可行性。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本申请涵盖范围之内。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
Claims (9)
1.一种功率模块中键合界面最小剩余长度预测方法，其特征在于：包括：
（A1）在功率循环老化实验中，令功率模块的导通电流Ic、功率循环周期中的开通时间ton保持不变，调整功率循环次数N为取值不同的N1个值，确定与所述N1个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre，得到N1组参数，且根据所述N1个值、与N1个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre拟合得到如下表达式：
Lre=f(N)；
其中，f(N)为拟合得到的以功率循环次数N为自变量的函数；N1组参数中的每组参数中，功率模块的导通电流Ic、功率循环周期中的开通时间ton、功率循环次数N、键合界面最小剩余长度Lre一一对应；
（A2）在功率循环老化实验中，令功率模块的导通电流Ic、功率循环次数N保持不变，调整功率循环周期中的开通时间ton为取值不同的N2个值，确定与所述N2个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre，得到N2组参数，且根据所述N2个值、与N2个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre拟合得到如下表达式：
Lre=g(ton)；
其中，g(ton)为拟合得到的以功率循环周期中的开通时间ton为自变量的函数；N2组参数中的每组参数中，功率模块的导通电流Ic、功率循环周期中的开通时间ton、功率循环次数N、键合界面最小剩余长度Lre一一对应；
（A3）在功率循环老化实验中，令功率循环次数N、功率循环周期中的开通时间ton保持不变，调整功率模块的导通电流Ic为取值不同的N3个值，确定与所述N3个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre，得到N3组参数，且根据所述N3个值、与N3个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre拟合得到如下表达式：
Lre=h(Ic)；
其中，h(Ic)为拟合得到的以功率模块的导通电流Ic为自变量的函数；N3组参数中的每组参数中，功率模块的导通电流Ic、功率循环周期中的开通时间ton、功率循环次数N、键合界面最小剩余长度Lre一一对应；
（B）令Lre=L0×f(N)×g(ton)×h(Ic)，其中L0为待确定常数，利用所述N1组参数、所述N2组参数、所述N3组参数确定L0的值；
（C）利用步骤（B）得到的公式Lre=L0×f(N)×g(ton)×h(Ic)，对功率模块中键合界面最小剩余长度进行预测；
其中，步骤（A1）、步骤（A2）、步骤（A3）可同时执行，或者步骤（A1）、步骤（A2）、步骤（A3）的执行次序可任意调换；
所述键合界面最小剩余长度Lre为功率模块的各根键合线在功率模块中芯片上表面形成的各个键合界面的剩余长度中的最小值；
所述步骤（A1）、步骤（A2）、步骤（A3）中，所述键合界面最小剩余长度Lre的确定方法为：
确定所述各个键合界面中完全脱落时刻最早的键合界面，将完全脱落时刻最早的键合界面的剩余长度作为所述键合界面最小剩余长度Lre。
2.根据权利要求1所述的功率模块中键合界面最小剩余长度预测方法，其特征在于：
f(N)=a1×Na2；
其中，a1、a2分别为根据所述N1个值、与N1个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre拟合得到的第一系数、第二系数。
3.根据权利要求1所述的功率模块中键合界面最小剩余长度预测方法，其特征在于：
g(ton)=a3×[a4-ln(ton)]；
其中，a3、a4分别为根据所述N2个值、与N2个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre拟合得到的第三系数、第四系数。
4.根据权利要求1所述的功率模块中键合界面最小剩余长度预测方法，其特征在于：
h(Ic)=a5×[(Ic)2-a6×Ic+a7)]；
其中，a5、a6、a7分别为根据所述N3个值、与N3个值分别对应的键合界面最小剩余长度Lre拟合得到的第五系数、第六系数、第七系数。
5.根据权利要求1所述的功率模块中键合界面最小剩余长度预测方法，其特征在于：所述功率模块的型号为SKM50GB12T4；
所述步骤（C）中的公式Lre=L0×f(N)×g(ton)×h(Ic)具体为：
Lre=[1.14-0.15×ln(ton)]×[0.0061×(Ic)2-0.6622×Ic+18.1]×(9164.52×N-0.9006)。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的功率模块中键合界面最小剩余长度预测方法，其特征在于：所述芯片为IGBT芯片或SIC芯片。
7.根据权利要求6所述的功率模块中键合界面最小剩余长度预测方法，其特征在于：所述键合线包括依次连接的第一延伸段（13）、第一拱形段（11）、第二延伸段（14）、第二拱形段（12）；
所述第一延伸段（13）、第二延伸段（14）均在芯片（10）上表面延伸，所述第一拱形段（11）两端以及所述第二拱形段（12）一端均位于芯片（10）的上表面，所述第二拱形段（12）另一端位于上铜层（102）上表面；
所述第一拱形段（11）两端、所述第二拱形段（12）一端为所述键合线的位于芯片（10）上表面的3个跟脚；
所述第一延伸段（13）、第二延伸段（14）为所述键合线的两个键合界面；
所述键合界面的长度为所述键合界面在第一方向上的尺寸，所述第一方向为所述键合线在芯片上表面的投影的延伸方向。
8.根据权利要求1所述的功率模块中键合界面最小剩余长度预测方法，其特征在于：所述完全脱落时刻最早的键合界面的确定方法为：
在功率循环老化实验或功率循环老化仿真中，令功率模块的导通电流Ic为预设值I0，令功率循环周期中的开通时间ton为预设值t0，令功率循环次数N为预设值N0，确定各个键合界面的剩余长度/各个键合界面所在位置的温度；
将各个键合界面的剩余长度中的最小长度值所对应的键合界面/各个键合界面所在位置的温度中的最大温度值所对应的键合界面，作为所述完全脱落时刻最早的键合界面。
9.根据权利要求1所述的功率模块中键合界面最小剩余长度预测方法，其特征在于：所述键合界面的剩余长度的确定方法为：
将带颜色的染液滴在键合界面所在位置附近，等待第一预设时间后，将功率模块放入干燥箱中，等待第二预设时间后，将功率模块取出，拔掉键合线，测量键合界面所在位置中未被染色区域的尺寸，从而得到所述键合界面的剩余长度。
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