功率模块是实现绿色能源转换的重要组成部分。作为使用频率[敏感词]的电源转换芯片，绝缘门极晶体管是故障频率[敏感词]的装置，大量研究了其故障机理和检测方法。可靠的包装是IGBT功率模块可靠性的重要组成部分，为芯片工作提供稳定的电气连接、良好的绝缘性和充分的抗干扰能力。目前主流使用的包装形式有焊接型和压接型。两种包装结构在功率密度、串并联能力、制造成本、包装可靠性和散热能力等方面都有所不同。由于压接包装具有双面冷却和故障自短路效应，在散热、可靠性和串联性方面优于焊接包装，广泛应用于高功率密度场合，如高压电网和高功率机械设备，但包装复杂而笨重。焊接包装结构因其制造工艺简单、成本低、并联能力强，广泛应用于消费电子、汽车电子等低功率密度场合。这两种包装结构导致了不同的故障机制，但其本质主要是IGBT芯片工作产生的热量没有立即消耗，导致温度梯度，最终导致包装材料疲劳导致故障。IGBT超声焊接机
一、焊接IGBT功率模块封装结构
自1975年以来，提出了焊接IGBT功率模块的包装，并得到了广泛的应用。其中，直接覆铜陶瓷板由上铜层、陶瓷板和下铜层组成，一方面实现了IGBT芯片和连续二极管的固定和电气连接，另一方面形成了模块散热的主要通道。DBC与芯片和铜基板的连接依赖于焊接材料，芯片与外部端子的连接依赖于超声键接线。此外，为了减少外部水分、灰尘和污染对模块的影响，整个模块被硅胶密封。
IGBT功率模块工作过程中存在开关损耗和导通损耗，以热的形式消耗，使IGBT功率模块包装结构产生温度梯度。结构层不同材料的热膨胀系数差异较大，产生循环热应力，使材料疲劳，最终导致IGBT功率模块包装故障。焊接IGBT功率模块的主要故障形式是键线故障和焊接层故障。在实际应用中，由于单个芯片能承受的功率较小，多个芯片通常集成在一起形成功能模块，或驱动集成形成“智能功率模块”。
二、焊接IGBT功率模块封装失效
一般采用Al或Cu键合线将端子与芯片电极超声键合，实现与外部电气的连接。这两种材料都与Si和Si上的绝缘材料有很大的不同，如SiO2的CTE。模块工作时，IGBT芯片功耗和键合线焦耳热会提高键合线温度，在接触点和键合线上产生温度梯度，形成剪切应力。长期处于开关循环工作状态，产生应力和疲劳形变积累，会导致接触点裂纹、接触热阻增大、焦耳热增大、温度梯度增大，最终导致键合线损坏加剧，形成正反馈循环，最终导致键合线脱落或断裂。
研究表明，这些故障是由材料CTE不匹配引起的。键合线断裂的位置出现在其根部，这是键合线故障的主要表现。一些研究指出，可以通过优化键合线的形状来提高其可靠性。具体来说，键合线的高度越高，键合线的距离越远，键合线的应力水平越低，可靠性越高。
(2)焊层失效
上述温度梯度也存在于焊接层和相邻组件中，因此会导致剪切应力。焊接层失效的主要表现形式是裂纹、空洞和分层。在开关循环中，作为弹性塑料材料的焊接层会出现非弹性应变，最终导致焊接层的裂纹、裂纹的发展和焊接材料的分层。空洞是由焊接材料的晶体边界空洞和回流焊工艺引起的，这是一种不可避免的现象。随着功率循环，焊接层受到热应力，空洞也会增加。焊接层失效后，热阻进一步增加，导致温度梯度增加，形成正反馈，最终导致焊接层完全失效。
(3)电迁移、电化学腐蚀和金属化重构
IGBT功率模块芯片顶部有一层Al金属薄膜，用于与外界连接。在电流和温度梯度的作用下，Al金属离子会沿着导体移动，如沿键合线移动，产生净质量运输，导致薄膜上出现空洞、小丘或晶须。
随着设备的老化，硅胶的气密性降低，外部物质与Al金属薄膜接触，导致电化学腐蚀。常见的有Al自钝化反应、单阳极腐蚀电池反应和与污染的离子反应。
金属化重建是由于Al和芯片上SiO2的CTE值相差两个数量级，导致界面循环应力，Al原子扩散，导致丘陵、晶须和空洞，最终导致塑性变形和裂纹。
上述三个因素导致的Al膜失效会加剧键合点的疲劳，最终导致键合线脱落或电场击穿失效。