程胭脂，林川川，李啟國，陳 琛

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

0 引言

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）絕緣柵雙極性晶體管，是由雙極型三極管和絕緣柵型場效應管組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件。IGBT作為電動汽車的關鍵元器件之一，價格約占電動汽車電機控制系統(tǒng)成本的40%，是電動汽車上除電池之外成本最高的元件［1]。IGBT主要作用是能量轉換，通過脈沖寬度調制的方式控制IGBT開關，將電池的直流電轉換成交流電驅動電機有序受控運轉，IGBT的性能也決定了整車的能源利用效率。近幾年，英飛凌的HPD（Hybrid PACKTM Drive）封裝模塊憑借功率密度高、設計簡單的優(yōu)勢在電動汽車市場迅速被廣泛應用［2]，隨之，各家功率半導體廠商紛紛效仿推出類似封裝IGBT 產品。但是HPD封裝IGBT模塊與驅動PCB（Printed Circuit Board）裝配后，模塊在應用中存在PIN針斷裂失效風險。針對該風險，目前IGBT生產廠商英飛凌有推薦PCB 開槽方案［3]，但開槽位置影響PCB布線，實際實施效果不佳。另外暫無相關文獻從IGBT應用焊接工藝參數上優(yōu)化改善從而降低失效風險。

本文主要從優(yōu)化PCB開槽設計和優(yōu)化焊接工藝參數等兩個方向改善高低溫環(huán)境下PIN針動態(tài)受力情況，降低PIN 針斷裂失效的風險，以進一步提高IGBT 模塊在電動汽車上應用的可靠性。

1 IGBT封裝介紹及失效風險

六合一IGBT在電動汽車的應用上有許多優(yōu)點，包括：一個模塊內集成多個IGBT芯片，其參數一致性很好；模塊內部芯片布局合理，寄生參數較小；模塊的最高電壓等級較高等［4]。HPD封裝IGBT模塊包含U、V、W三個全橋，其與驅動PCB的連接由8 顆螺絲固定在塑料柱（下稱Dome）和24個PIN針焊接在過孔中，HPD 封裝IGBT 模塊的結構以及IGBT與驅動PCB裝配結構如圖1所示。

圖1 IGBT與PCB裝配結構

IGBT 與PCB 裝配完成后，在高溫環(huán)境下，Dome膨脹時會推動PCB在Z 方向上移，PCB 相連接的IGBT 的PIN 針受到向上的拉拔力。低溫時PIN 針受到向下壓力，如圖2 所示，Dome膨脹收縮往復運動使PIN針存在動態(tài)拉力，從而導致PIN 針底座與銅層之間焊接層出現疲勞斷裂的風險。改善前經過一段時間溫度沖擊失效案例如圖3所示。

圖2 PIN針動態(tài)受力

圖3 失效案例

2 PCB優(yōu)化設計

根據以上分析，PIN 針底座斷裂根本原因是PIN 針受循環(huán)應力作用，離Dome越近的PIN針冷熱沖擊受到影響越大，即C1和C3的PIN針失效風險最大。

2.1 PCB開槽設計

PCB開槽可切斷PIN針應力傳遞的路徑，減少動態(tài)力傳遞到PIN針上，開槽位置、寬度、數目對釋放殘余應力均有影響［5]。選擇在螺絲孔附近開圓弧槽、PIN 附近開斜線槽的設計方案，開槽寬度均為1 mm。優(yōu)化后的開槽方案如圖4所示。

圖4 PCB開槽設計

2.2 PIN針受力仿真

在HyperWorks仿真平臺上，對IGBT模塊和PCB實體建模，仿真分析PCB 不開槽方案和幾種不同開槽方案的受力情況。仿真條件如下：（1）假設PCB 與IGBT 均無翹曲、PCB與IGBT焊接良好；（2）不考慮板上走線、過孔、敷銅、器件等細節(jié)；（3）定義室溫25 ℃時，PIN針無應力；（4）設置熱環(huán)境溫度為125 ℃。參數如表1所示。

表1 仿真材料參數

根據實際PCB上電子元器件布局、布線方案及安裝孔裝配位置的條件下，對PCB設計不同的開槽方案，借助熱仿真分析PIN針受力結果分析、改善、選擇最優(yōu)PCB 開槽方案。方案1：在PIN針周邊設計斜槽，較未開槽有較大改善；方案2：挖斜槽基礎上在Dome周圍設計弧形槽的方案，應力值有下降，但C3應力數值依然較高；方案3：針對C3 的應力，采用特殊的開槽設計，仿真結果表明有明顯效果。各種不同開槽方案的仿真應力如圖5所示。

圖5 熱仿真分析

2.3 仿真結果分析

仿真結果如圖6所示，PCB 開槽方案較未開槽均有所改善，弧形槽的效果明顯優(yōu)于斜槽；針對C3位置處于熱應力最高點，接著圓弧槽末端處加斜槽去掉應力改善明顯。因此，本文提出的圓弧槽加斜槽的方案能夠較大程度改善PIN針的循環(huán)受力情況，保證IGBT模塊與PCB的裝配可靠性。

圖6 PIN針受力仿真結果

3 波峰焊接參數優(yōu)化

為了保證Dome 在高溫膨脹狀態(tài)下，PIN 針不受力，即IGBT 模塊在高溫環(huán)境下Dome 膨脹時表現為平行裝配，常溫下PCB 本身呈拱形裝配，如圖7 所示。為達到該目的，在焊接的預熱階段使IGBT 的Dome 受熱膨脹，可通過延長預熱時間使實現。

圖7 焊接后IGBT模塊側視圖

3.1 焊接工藝參數

選擇性波峰焊接可以根據焊點不同情況，對焊接工藝參數進行特殊設置，便于每個焊點質量進行精確控制，使每個焊點的焊接效果達到最佳狀態(tài)［6]。焊接工藝參數如表2所示，由于6個PIN針（E1 ～E6）內部與大塊銅片相連，熱容量大，溫度下降快，則焊錫時間加長至4 s，其余PIN針2.5 s。

表2 波峰焊接工藝參數

3.2 熱電偶布置

為觀測實際選擇性波峰焊接爐內溫度，在IGBT 和PCB板上布置熱電偶溫度傳感器，熱電偶分別粘貼在Dome孔內，PCB 的Top 面、PCB 的Bottom 面，分別監(jiān)測Dome、PCB溫度。

3.3 爐溫曲線

實際測得爐溫曲線如圖8 所示，由于熱電偶插入Dome深度不同導致有溫差，在焊接前Dome溫度均達到了100 ℃。不同位置的熱電偶溫度不一樣，位于PCB的Top面正對紅外熱源加熱溫度較高但均低于150 ℃，溫度上升斜率小于或等于3 ℃/s，符合預期設想爐溫曲線效果。

圖8 爐溫曲線

3.4 焊接結果

焊接完成后，目視檢測PCB 焊錫完全透過焊盤，X-ray掃描檢測焊點均未見空洞現象。用多倍放大鏡觀察，無錫尖、橋連、氣孔、裂縫等缺陷，根據IPC-A-610G CN滿足焊接驗收標準［7]。

4 高低溫沖擊試驗

4.1 試驗條件

冷熱沖擊試驗可以驗證PIN 針在Dome 的熱脹冷縮通過PCB帶傳遞的應力作用。另外焊料與焊盤以及形成的金屬化合物之間的熱膨脹系數不匹配及IMC被氧化是導致冷熱沖擊下焊接位置失效的主要原因，冷熱沖擊疲勞是衡量電子產品性能好壞的重要指標［8]。將IGBT 模塊放置溫箱進行溫度沖擊試驗，試驗條件要求如下：在一個循環(huán)內，高溫125 ℃或低溫-40 ℃保持30 min、高低溫之間的轉換不超過15 s，進行1000個循環(huán)［9]。

4.2 試驗結果

在冷熱沖擊試驗前、完成1000 次冷熱沖擊循環(huán)后，分別測量帶PCB的IGBT的5個靜態(tài)參數［10]：（1）測柵極漏電流IGES；（2）柵極和發(fā)射極的閾值電壓VGE（TH）；（3）集電極和發(fā)射極的飽和電壓VCE（sat）；（4）二極管的正向電壓VF；（5）集電極截止電流ICES。測試結果如表3 所示（只列出其中1個IGBT的U相上管的測試結果），IGBT的各參數均在標準范圍內，未發(fā)生失效的情況。

表3 IGBT靜態(tài)測試結果

5 結束語

PCB開槽設計可減小冷熱沖擊Dome 帶來的應力，選擇性波峰焊接個性化參數配置使得Dome 在受熱膨脹狀態(tài)下焊接PCB，Dome膨脹后PCB正好呈水平狀態(tài)，不施加給IGBT的PIN針向上拉力。經過高低溫度沖擊試驗后測試結果均在標準范圍內，無PIN針失效，則開槽設計和波峰焊接參數優(yōu)化均可消除IGBT模塊PIN針失效風險。