郝建紅+蘇立昌

摘 要： 焊層空洞是造成IGBT模塊散熱不良的主要因素，基于IGBT的七層結(jié)構(gòu)，建立了IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)的三維有限元模型并對(duì)其進(jìn)行熱分析，研究焊層空洞對(duì)IGBT芯片溫度的影響。對(duì)比了有無焊層空洞時(shí)IGBT模塊的整體溫度分布，分析了空洞類型、空洞大小、空洞形狀、空洞數(shù)量及空洞分布對(duì)IGBT芯片溫度分布的影響。研究結(jié)果表明：芯片焊層空洞對(duì)芯片溫度的影響較大，襯板焊層空洞對(duì)芯片溫度的影響較??；貫穿型空洞對(duì)芯片溫度的影響要大于非貫穿型空洞；單個(gè)空洞越大，IGBT芯片溫度越高；相同形狀的空洞，處于邊角位置比處于焊層內(nèi)部對(duì)芯片溫度影響大；多個(gè)空洞分布越集中，芯片溫度越高；焊層縫隙對(duì)芯片溫度的影響要小于空洞對(duì)芯片溫度的影響。因此，在封裝過程中應(yīng)避免出現(xiàn)芯片焊層空洞，以提高IGBT的可靠性。

關(guān)鍵詞： 焊層空洞； IGBT模塊； 有限元； 芯片焊層； 熱分析； 芯片溫度

中圖分類號(hào)： TN32?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）03?0151?06

Abstract： The voids in solder layer are the main factors causing the poor heat dissipation of the IGBT module. On the basis the seven?layer structure of IGBT， the three?dimensional finite element model of the IGBT module package structure was established， and perform with the thermal analysis. The overall temperature distribution of the IGBT module of the solder layer with and without voids is compared. The influence of void type， void size， void shape， void quantity and void distribution on the IGBT chip temperature distribution is analyzed. The study results show that the void in the chip solder layer has great influence on chip temperature， the void in the scaleboard solder layer has slight influence on chip temperature， the perfoliate void has greater influence on chip temperature than the non?perfoliate void， the IGBT chip temperature becomes higher with the increase of void， the position in the corner has greater influence on chip temperature than that inside the solder layer for the same shape voids， the chip temperature becomes high with the concentration of the multi?void distribution， and the influence of solder gap on chip temperature is slighter than the void. Therefore， it is necessary to avoid the chip soldering voids in the packaging process to improve the reliability of IGBT.

Keywords： solder void； IGBT module； finite element； chip solder layer； thermal analysis； chip temperature

0 引 言

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是由雙極型三極管（BJT）和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（MOS）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如高鐵、智能電網(wǎng)、新能源汽車、太陽(yáng)能等領(lǐng)域。它兼具M(jìn)OSFET和BJT的優(yōu)點(diǎn)，具有高輸入阻抗、低導(dǎo)通壓降等特點(diǎn)，自誕生以來迅速成為行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。

IGBT模塊的應(yīng)用決定了IGBT模塊不僅需要有非常高的可靠性，而且還要有較長(zhǎng)的使用壽命。理論及實(shí)踐表明，器件的工作溫度每升高10 ℃，其失效率將增大一倍左右[1]，因此，加強(qiáng)散熱是提高IGBT模塊壽命的主要手段。IGBT模塊是由IGBT芯片、FRED芯片與襯板和襯板與基板焊接而成，在焊接過程中容易在焊層中形成形狀大小不一的空洞。焊層是IGBT模塊散熱的主要通道，隨著IGBT模塊功率的提高，對(duì)焊層的傳熱性能提出了更高的要求。在高頻開關(guān)過程中，焊層蠕變會(huì)產(chǎn)生更多的空洞，使熱量不能有效地傳導(dǎo)，最終形成熱斑導(dǎo)致IGBT失效[2]。因此，研究焊層空洞對(duì)模塊芯片溫度的影響對(duì)提高IGBT模塊的可靠性至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于空洞對(duì)IGBT的影響進(jìn)行了一些研究，文獻(xiàn)[3?6]研究了焊層空洞對(duì)IGBT模塊最大等效應(yīng)力和熱可靠性的影響，研究?jī)?nèi)容和側(cè)重點(diǎn)各有不同，但關(guān)于焊層空洞形狀和空洞群體分布沒有涉及。文獻(xiàn)[7?10]對(duì)空洞與熱阻之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，得到了一些定性結(jié)論，但關(guān)于焊層空洞對(duì)IGBT芯片溫度的影響研究較少?；诖吮尘?，本文采用ANSYS軟件建立了IGBT模塊的三維封裝結(jié)構(gòu)，分析了空洞類型、空洞大小、空洞形狀、空洞數(shù)量及空洞分布對(duì)芯片溫度的影響。endprint

1 IGBT有限元模型及相關(guān)參數(shù)

去除塑料外殼與硅膠，IGBT其實(shí)體模型為七層結(jié)構(gòu)，如圖1所示，從上往下依次為芯片、芯片焊層、正面銅層、襯板、背面銅層、襯板焊層、基板。本文以1 200 V/100 A的IGBT模塊為例，建立有限元模型進(jìn)行分析。各種材料的幾何尺寸及材料特性如表1所示。

對(duì)實(shí)體模型和邊界條件進(jìn)行了如下假設(shè)：

1） 襯板及襯板銅層簡(jiǎn)化為規(guī)則圖形；

2） 鍵合線相對(duì)于整個(gè)模塊而言，傳熱較小，因此模塊忽略鍵合線；

3） IGBT模塊在工作中，熱傳遞的方式主要包括芯片發(fā)熱進(jìn)行的熱傳導(dǎo)。

半導(dǎo)體材料特性隨溫度變化非常明顯，其熱導(dǎo)率（單位：W/（cmK））隨絕對(duì)溫度的變化規(guī)律可表述為：

式中：相較于半導(dǎo)體材料，金屬材料的熱導(dǎo)率隨溫度變化較小，因此，只考慮半導(dǎo)體的熱導(dǎo)率隨溫度的變化。在工作中，IGBT芯片是模塊發(fā)熱的主要來源，因此，本文只考慮IGBT芯片發(fā)熱，IGBT芯片的生熱速率為：

式中：為生熱速率；為功率；為體積。本文模擬中選擇在IGBT芯片施加的功率為120 W，經(jīng)式（2）計(jì)算得生熱速率為。基板底部安裝在散熱裝置上進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱，對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)置為基板四個(gè)側(cè)面與空氣自然對(duì)流換熱，對(duì)流換熱系數(shù)為，環(huán)境溫度取25 ℃。IGBT模塊的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

2 計(jì)算結(jié)果分析與討論

2.1 焊層無空洞時(shí)IGBT模塊的溫度分布

圖3為焊層無空洞時(shí)IGBT模塊溫度分布和基板溫度分布圖，由圖3可以看出，IGBT模塊內(nèi)部溫度分布均勻，芯片中心溫度最高，約為82.5 ℃，溫度沿中心位置向邊緣逐漸降低，基板遠(yuǎn)離芯片處溫度最低。焊層、襯板和基板的最高溫度均出現(xiàn)在芯片下方，表明芯片產(chǎn)生的熱量主要是向下傳導(dǎo)。

2.2 芯片焊層空洞和襯板焊層空洞對(duì)芯片溫度的影響

封裝過程中產(chǎn)生的焊層空洞位置與形狀是隨機(jī)的，相關(guān)文獻(xiàn)指出，空洞的形狀大多為圓形或橢圓形[11]。由于焊層上表面為規(guī)則圖形，具有良好的對(duì)稱性，因此，選取典型的6個(gè)位置對(duì)其進(jìn)行分析討論，空洞位置及編號(hào)如圖4所示。

首先，以空洞率來描述焊料層中空洞的大小，將空洞率定義為空洞面積與焊料層面積之比。進(jìn)而對(duì)芯片焊層空洞和襯板焊層空洞對(duì)芯片溫度的影響進(jìn)行對(duì)比分析，選取5%的空洞率的圓形空洞在位置1進(jìn)行熱計(jì)算，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，芯片焊層空洞和襯板焊層空洞都不同程度地使得IGBT芯片的溫度升高，其中芯片焊層有空洞時(shí)，IGBT芯片最高溫度約為92.5 ℃，與圖3a）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，芯片最高溫度上升了10 ℃。模塊工作溫度每上升10 ℃，其壽命降低約50%，因此，在生產(chǎn)過程中應(yīng)注意芯片焊層空洞的產(chǎn)生。在相同的空洞率下，襯板焊層中心空洞引起的IGBT芯片溫度變化約為2 ℃，雖然襯板焊層中心空洞也阻礙了熱量的傳導(dǎo)，但相對(duì)于芯片焊層空洞而言，對(duì)芯片引起的溫度變化較小，因此后續(xù)只討論芯片焊層空洞對(duì)芯片溫度的影響。

2.3 非貫穿型焊層空洞對(duì)芯片最高溫度的影響

非貫穿型空洞類型有三種：類型1，在芯片焊層上表面；類型2，在芯片焊層內(nèi)部；類型3，在芯片焊層下表面。芯片焊層的厚度為0.2 mm，這里選取半徑1.39 mm（5%空洞率）、高度0.1 mm的圓柱在位置1時(shí)對(duì)芯片最高溫度的影響進(jìn)行分析。三種類型空洞及5%空洞率的貫穿型空洞對(duì)芯片最高溫度的影響如圖6所示。

由圖6可知，貫穿型空洞對(duì)芯片溫度的影響要大于非貫穿型空洞；對(duì)于非貫穿型空洞，空洞越靠近芯片位置，芯片溫度就越高。由圖3中的模塊溫度分布圖可以看出，熱量自上至下呈扇形傳導(dǎo)，而焊層空洞的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于焊層的熱導(dǎo)率，因此焊層空洞越靠近芯片位置，阻礙熱量向下傳導(dǎo)的影響就越大，使得芯片的溫升就越高。研究中為了正確評(píng)估模塊的使用壽命，應(yīng)考慮最大化的影響程度來分析焊層空洞對(duì)芯片溫度的影響，因此下面針對(duì)貫穿型空洞進(jìn)一步分析焊層空洞對(duì)芯片溫度的影響。

2.4 單個(gè)焊層空洞對(duì)芯片最高溫度的影響

本文在此采取的空洞形狀為圓形，且圓心在位置1～6上。位置1，2，4處于焊層內(nèi)部，3，5，6處于邊角位置，當(dāng)焊層空洞半徑相等時(shí)，空洞在位置3，5上的空洞率為空洞在焊層內(nèi)部時(shí)的空洞在位置6上的空洞率為空洞在焊層內(nèi)部時(shí)的即焊層空洞在位置1～6上有相同空洞率時(shí)，邊角上的空洞與焊層內(nèi)部空洞對(duì)應(yīng)的半徑也不相同，因此對(duì)焊層內(nèi)的空洞和邊角上的空洞分開討論。

圖7a）為不同大小的空洞在焊層內(nèi)部時(shí)對(duì)芯片最高溫度的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，空洞較小時(shí)，焊層空洞對(duì)芯片最高溫度影響不大。但隨著空洞的增大，芯片最高溫度幾乎呈直線上升，空洞在位置1時(shí)對(duì)芯片的溫度影響最大，在位置4時(shí)對(duì)芯片的溫度影響最小，當(dāng)空洞率達(dá)到10%時(shí)，兩者之間溫差最大，約為6 ℃。當(dāng)空洞較大時(shí)，空洞位置對(duì)芯片最高溫度的影響并不明顯，在位置1，2，4上的芯片最高溫度幾乎一樣，將近121 ℃，而焊層無空洞時(shí)芯片溫度為82.5 ℃，溫度上升將近39 ℃，嚴(yán)重影響IGBT模塊的正常工作。因此，在空洞檢測(cè)方面，應(yīng)注意芯片焊層是否有單一的大空洞出現(xiàn)。從仿真結(jié)果來看，芯片焊層內(nèi)的單個(gè)空洞應(yīng)盡量控制在2%以內(nèi)。

圖7b）、圖7c）分別為不同大小焊層邊空洞和焊層角空洞對(duì)芯片最高溫度的影響。從圖中可以看出，芯片最高溫度隨空洞的增大呈拋物線升高。空洞較小時(shí)，芯片最高溫度變化不大。空洞在焊層邊上時(shí)，位置3，5對(duì)芯片溫度的影響差異不大。隨著空洞的增大，芯片最高溫度急劇上升，特別是焊層角空洞對(duì)芯片最高溫度的影響尤為嚴(yán)重，僅在5%空洞率的情況下，芯片的最高溫度達(dá)到116.7 ℃，相較于無空洞時(shí)，芯片溫度上升幅度較大，嚴(yán)重影響了IGBT模塊的工作特性。對(duì)比圖7a）可以發(fā)現(xiàn)，在相同的空洞率下，焊層邊角空洞對(duì)芯片溫度的影響要大于焊層內(nèi)部空洞對(duì)芯片溫度的影響。由于在相同的空洞率情況下，位置1，3，6上空洞的形狀不一致，此時(shí)還無法判斷芯片最高溫度不同是由空洞所處的位置引起的還是由空洞的形狀引起的。endprint

在上面的分析中，焊層內(nèi)部和邊角上的空洞形狀是不一樣的，焊層內(nèi)部空洞為圓形，焊層邊空洞為半圓，焊層角空洞為圓，因此以位置1為例，選取空洞形狀為半圓和圓的空洞進(jìn)行熱分析，結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，隨著空洞的增大，芯片最高溫度逐漸上升，空洞形狀對(duì)芯片最高溫度的影響并不明顯。與圖7b）、圖7c）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，邊角上的空洞對(duì)芯片溫度的影響要大于焊層中心空洞，尤其是焊層角空洞，對(duì)芯片溫度的影響更為嚴(yán)重。因此，在生產(chǎn)制造過程中應(yīng)避免芯片焊層邊角空洞的出現(xiàn)。

圖9給出了焊層空洞5%空洞率時(shí)在位置5處的芯片溫度分布云圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，芯片的最高溫度不再出現(xiàn)在芯片中心，而是出現(xiàn)在焊層空洞上方，改變了芯片的溫度分布，造成芯片局部熱量過度集中，容易形成熱斑，導(dǎo)致模塊被燒毀。

2.5 多個(gè)焊層空洞對(duì)芯片最高溫度的影響

上面分析了單個(gè)空洞對(duì)芯片最高溫度的影響，接著分析多個(gè)焊層空洞對(duì)芯片最高溫度的影響。在芯片焊層中選取16個(gè)空洞，每個(gè)空洞的半徑為0.62 mm（空洞率為1%）。引入三種規(guī)則的空洞分布模型：均勻分布；集中分布；邊緣分布，如圖10 所示。

三種群體空洞分布下芯片的最高溫度如圖11所示，從圖中可以看出，空洞集中分布時(shí)，芯片溫度最高；空洞邊緣分布時(shí)，芯片溫度最低。與圖7a）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，16個(gè)1%空洞率的空洞對(duì)芯片最高溫度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單個(gè)16%空洞率的空洞。因此在芯片焊接過程中，應(yīng)注意焊層大空洞的產(chǎn)生。

2.6 焊層縫隙對(duì)芯片最高溫度的影響

芯片焊層除了常見的圓柱型空洞以外，還有裂縫形成的空洞，細(xì)微的裂縫對(duì)熱傳導(dǎo)的影響不大，但隨著功率循環(huán)的增加，不同材料間的熱膨脹系數(shù)不一致，導(dǎo)致小裂縫逐漸擴(kuò)張成大的裂縫，從而阻礙熱傳導(dǎo)的進(jìn)行，導(dǎo)致IGBT芯片失效。圖12給出了不同大小裂縫對(duì)芯片最高溫度的影響。選取位置1上的裂縫進(jìn)行研究分析。

從圖12可以看出，隨著芯片焊層縫隙的增大，芯片的最高溫度呈指數(shù)性增長(zhǎng)，由此可見，焊層縫隙對(duì)芯片溫度的影響不容小覷。與圖7a）對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，相同空洞率下，焊層縫隙對(duì)芯片最高溫度的影響要小于焊層空洞，這是由于IGBT芯片產(chǎn)生的熱量自上至下呈扇形傳導(dǎo)，在同樣的中心位置，空洞阻礙熱量傳導(dǎo)的有效面積更大，使得芯片的溫度更高。

在制造過程中，細(xì)微的縫隙往往不容易被檢測(cè)出來，但隨著IGBT模塊的使用，縫隙在熱應(yīng)力的作用下，逐漸擴(kuò)大形成不可恢復(fù)的永久損傷，因此，縫隙對(duì)芯片溫度的影響不容忽視，在生產(chǎn)制造及質(zhì)量檢測(cè)方面應(yīng)更加注重檢測(cè)細(xì)小的縫隙。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文考慮了半導(dǎo)體材料熱導(dǎo)率隨溫度變化的規(guī)律，建立了IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，計(jì)算和分析了空洞類型、空洞大小、空洞形狀、空洞數(shù)量及空洞分布對(duì)IGBT芯片最高溫度的影響。研究結(jié)果表明：

1） 芯片焊層空洞和襯板焊層空洞都不同程度地影響了熱量的傳導(dǎo)，使得IGBT芯片的溫度上升，但芯片焊層空洞相較于襯板焊層空洞來說，對(duì)芯片最高溫度的影響較大。相同空洞率情況下，芯片焊層空洞使得芯片的最高溫度上升約為10，而襯板焊層空洞使得芯片的溫度上升約為2，因此在生產(chǎn)制造過程中，要特別注意避免芯片焊層空洞的產(chǎn)生。

2） 芯片焊層中的貫穿型空洞對(duì)芯片溫度的影響要大于非貫穿型空洞，而對(duì)于非貫穿型空洞，越靠近芯片，對(duì)芯片溫度的影響也就越大。

3） 空洞較小時(shí)，對(duì)芯片最高溫度的影響不大，隨著空洞的增大，芯片最高溫度逐漸上升。在相同條件下，邊角上的空洞對(duì)芯片溫度的影響要比焊層內(nèi)空洞對(duì)芯片溫度的影響大，尤其是焊層角空洞，對(duì)芯片溫度影響最大，因此，在生產(chǎn)制造過程中應(yīng)盡量避免焊層邊角空洞的產(chǎn)生。空洞的出現(xiàn)，使得芯片的最高溫度出現(xiàn)在空洞上方，容易形成熱斑，導(dǎo)致IGBT芯片失效。

4） 在相同的空洞率下，單個(gè)焊層空洞對(duì)芯片溫度的影響要大于多個(gè)小空洞對(duì)芯片溫度的影響。多個(gè)空洞存在時(shí)，空洞越靠近焊層中心，對(duì)芯片溫度的影響也就越大。

5） IGBT芯片的溫度隨焊層縫隙的增大呈指數(shù)性增高，雖然焊層縫隙對(duì)芯片溫度的影響要小于焊層空洞對(duì)芯片溫度的影響，但隨著焊層縫隙的增大，對(duì)IGBT芯片溫度的影響卻不容小視。因此在生產(chǎn)過程中應(yīng)多加注意縫隙的產(chǎn)生。

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