IGBT 芯片平整度差，引发键合线与芯片连接部位应力集中，键合失效

一、引言

在 IGBT 模块的可靠性研究中，键合线失效是导致器件性能退化的重要因素。研究发现，芯片表面平整度与键合线连接可靠性存在紧密关联。当芯片表面平整度不佳时，键合线与芯片连接部位易出现应力集中现象，进而引发键合失效。深入探究这一关联性，对提升 IGBT 模块的可靠性和使用寿命具有关键意义。

二、IGBT 键合结构与工作应力分析

IGBT 模块的键合结构通常由键合线（多为金线或铝线）连接芯片电极与基板引线框架构成。在器件工作过程中，键合线不仅要承受电应力和热应力，还会因芯片表面形态差异产生额外的机械应力。芯片表面平整度差会打破键合线连接的均匀受力状态，使局部区域承受异常集中的应力。当芯片温度变化时，由于不同材料热膨胀系数的差异，这种应力集中现象会进一步加剧。

三、平整度差引发应力集中的作用机制

芯片表面存在微观起伏或局部凸起时，键合线在压焊过程中会形成非均匀的弧度分布。在芯片与基板的界面处，不平整的表面会导致键合线在连接点附近产生较大的弯曲变形，这种变形会在键合界面形成应力集中。从材料力学角度分析，表面粗糙度引起的几何不连续性，会使键合线连接部位的应力分布呈现非线性特征。当粗糙度超过一定阈值时，连接部位的最大应力值会显著高于平均应力水平。例如，当芯片表面粗糙度从 Ra0.3μm 增加到 Ra0.8μm 时，键合线根部的应力集中系数可提升 20%-30%。

四、键合失效的典型模式与实验验证

（一）键合界面开裂

在应力集中作用下，键合线与芯片电极的连接界面易出现微裂纹。随着器件反复热循环，裂纹会逐步扩展，最终导致键合界面完全开裂。实验中观察到，表面平整度差的芯片，其键合界面开裂的起始循环次数比正常芯片减少约 40%-50%。

（二）键合线颈部断裂

键合线颈部是应力集中的敏感区域，当芯片表面不平整时，颈部位置的弯曲应力会显著增加。某 IGBT 模块可靠性测试显示，使用表面粗糙度 Ra1.0μm 芯片的样品，键合线颈部断裂的失效概率比使用 Ra0.5μm 芯片的样品高 2.3 倍。

（三）实验数据对比

通过设计对比实验，对不同表面平整度的芯片进行键合可靠性测试。结果表明：当芯片表面粗糙度控制在 Ra0.5μm 以下时，键合线的平均失效时间超过 1000 小时；而当粗糙度达到 Ra1.0μm 时，平均失效时间缩短至 600 小时左右。扫描电镜（SEM）观察发现，失效样品的键合界面普遍存在明显的应力腐蚀痕迹。

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审核编辑 黄宇