Damage mechanisms in copper and aluminium interconnects in power IGBTs

Mécanismes d'endommagement des interconnexions en cuivre et en aluminium dans les IGBT de puissance Ce travail est motivé par la compréhension des mécanismes de défaillance des dispositifs IGBTS de puissance haute tension pour les applications automobiles, de traction et de commande de moteurs où la fiabilité des dispositifs est un problème technique clé. Au fil des années, le facteur limitant de ces appareils électriques s'est révélé être l'interconnexion supérieure. Cette interconnexion est constituée de la métallisation source et du fil qui y est soudé. Dans les composants de puissance standards, les interconnexions supérieures sont en aluminium (Al), mais une transition vers le cuivre (Cu) est désormais observée, notamment dans les appareils haut de gamme et de très haute puissance. Le vieillissement du métal est dû à une combinaison de variations de température au cours des cycles électriques et à la différence de coefficient de dilatation thermique entre les interconnexions métalliques et le semi-conducteur sous-jacent (Si, GaN ou SiC). Cela induit une déformation plastique du métal qui, en cas de cyclage, peut entraîner une défaillance du dispositif Face aux exigences croissantes en matière de densité de puissance, plusieurs améliorations ont été apportées pour prolonger la durée de vie de ces dispositifs, la plus importante étant le remplacement de l'aluminium par du cuivre dans les interconnexions. Cela a permis d'augmenter d'un facteur 10 la durée de vie des IGBT pour ceux fonctionnant à des températures inférieures à 175°C. Pour la prochaine génération, on s'attend à ce que les températures maximales de fonctionnement augmentent jusqu'à dépasser 200°C. La connaissance des propriétés physiques métallurgiques des interconnexions joue un rôle crucial dans la détermination de la durée de vie du dispositif. Plusieurs travaux existent sur les mécanismes d'endommagement des attache de puce et soudure des IGBT, mais jusqu'à présent aucun sur les interconnexions en cuivre. Ce travail vise donc à caractériser les propriétés microstructurales et mécaniques des interconnexions en Cuivre, avant et après vieillissement accéléré et à les comparer au comportement de leurs homologues en Aluminium. Cela se fera en utilisant des techniques spécifiques au domaine de la métallurgie physique telles que la microscopie électronique et ionique à balayage/transmission. Pour la première fois, les propriétés mécaniques des fils liés par ultrasons ont été étudiées à l'aide d'une cartographie par nano-indentation à haut débit. Ces caractérisations ont également été corrélées à une simulation par éléments finis qui simule la contrainte dans la métallisation source lors du vieillissement. Le principal mécanisme de dommage observé dans les composants en cuivre était l'apparition de fissures dans la soudure de la plaque de base, ce qui entraîne une augmentation de la résistance thermique. Contrairement à la littérature, nous constatons que la propagation de fissures s'initie dans les liaisons filaires. Les fissures partent de la périphérie du fil de liaison et se propagent à travers la métallisation et/ou le long de la barrière de diffusion. La métallisation ne présente ni pores ni fissures après le vieillissement. Cela conduit à supposer que les dommages dans les interconnexions supérieures résultent de la déformation plastique et de la mauvaise adhérence de la métallisation à la barrière de diffusion. Cette étude a ainsi fourni une caractérisation métallurgique et physique approfondie des amenées de courant par fil de cuivre. Nous avons utilisé de nouvelles techniques et méthodes de quantification pour évaluer le vieillissement de ces interconnexions. Les propriétés mécaniques et microstructurales complètes résultant du processus de liaison par ultrasons et du vieillissement accéléré. L'étude donne également un aperçu de la défaillance des liaisons par fils de cuivre et quelques suggestions sur la manière d'améliorer la fiabilité de ces interconnexions.