收稿日期：2022-10-13

基金項(xiàng)目：天津市技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)（基金）（20YDTPJC00510）

通信作者：杜明星（1980—），男，博士、教授，主要從事功率變換器可靠性、EMC等方面的研究。dumx@tjut.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1544 文章編號(hào)：0254-0096（2024）02-0336-06

摘 要：以絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的焊料層為研究對(duì)象，在傳統(tǒng)Cauer模型的基礎(chǔ)上，提出考慮芯片-銅端子熱流支路的雙分支Cauer模型，利用光纖溫度傳感器測(cè)量裸露在IGBT模塊外部的銅端子溫度和IGBT模塊底板溫度，以獲取IGBT芯片結(jié)溫，通過(guò)分析芯片結(jié)溫、銅端子溫度、底板溫度的變化規(guī)律，準(zhǔn)確定位焊料層老化位置，以區(qū)分芯片焊料層老化和底板焊料層老化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同焊料層的老化狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：絕緣柵雙極型晶體管；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；有限元分析；焊料層老化；Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TN322.8"""""""""""" """""" """""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）模塊是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的核心器件［1-2］，盡管封裝制作工藝已經(jīng)成熟，但部分IGBT模塊的焊料層仍可能存在較小的初始空洞，在功率循環(huán)沖擊下，熱應(yīng)力會(huì)引起初始空洞的逐漸擴(kuò)大，焊料層的空洞會(huì)縮小功率器件層狀結(jié)構(gòu)之間的接觸面積、增大接觸熱阻，使得IGBT模塊內(nèi)部熱量未充分釋放，引起結(jié)溫升高，從而影響模塊運(yùn)行的可靠性［3-4］。文獻(xiàn)［5］研究了焊料層的失效機(jī)理，建立了考慮焊料層微觀結(jié)構(gòu)的三維有限元模型；文獻(xiàn)［6］分析了功率器件在熱循環(huán)下焊料層的機(jī)械應(yīng)力，研究結(jié)果表明焊料層空洞損傷會(huì)降低功率器件的可靠性。文獻(xiàn)［7］研究了熱循環(huán)條件下IGBT模塊焊料層中空洞的尺寸、大小對(duì)可靠性產(chǎn)生的不同影響。部分研究忽略了不同位置的焊料層空洞對(duì)IGBT模塊的結(jié)溫影響程度不同，具體表現(xiàn)為芯片焊料層和底板焊料層老化耦合的影響，造成對(duì)IGBT模塊壽命預(yù)測(cè)的不準(zhǔn)確。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上利用銅端子溫度便于測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，建立包含芯片-銅端子熱流支路的雙分支Cauer模型。由于芯片焊料層和底板焊料層老化均會(huì)改變IGBT模塊內(nèi)部的熱流分布，從而改變銅端子和底板的溫度，該方法既可避免破壞模塊完整性而導(dǎo)致溫度測(cè)量的誤差，又對(duì)模塊內(nèi)部的健康狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，同時(shí)做到了區(qū)分不同位置的焊料層老化。

1 雙分支Cauer模型

1.1 IGBT模塊的熱流路徑

IGBT模塊是由多層尺寸和屬性不同的材料組成的，圖1所示為IGBT模塊剖面圖及其熱流路徑。以往文獻(xiàn)主要從上到下研究熱流分布，由芯片產(chǎn)生的熱量依次通過(guò)芯片焊料層、上銅層、陶瓷基片、下銅層、底板焊料層、底板，最終通過(guò)散熱器將熱量散發(fā)到環(huán)境或冷卻系統(tǒng)，上銅層、陶瓷基片、下銅層共同構(gòu)成DBC板。當(dāng)焊料層發(fā)生老化時(shí)，芯片焊料層和底板焊料層不同老化位置對(duì)IGBT模塊的影響不同，以往的熱流分析僅考慮垂直方向上的熱流路徑即熱流1（從芯片的正下方經(jīng)過(guò)各層結(jié)構(gòu)到底板）和熱流3（通過(guò)芯片上方的硅膠和外殼），并不能有效地區(qū)分焊料層老化位置。本文提出一條新的IGBT模塊熱流路徑即熱流2（從芯片流經(jīng)上銅層后到銅端子）。

傳統(tǒng)Cauer模型采用熱流1通路來(lái)構(gòu)建模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT模塊結(jié)溫估計(jì)?？紤]到焊料層老化對(duì)IGBT模塊的影響較大，不區(qū)分芯片焊料層和底板焊料層對(duì)IGBT模塊健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)存在一定弊端。熱流2通路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且熱阻和熱容提取方便，通過(guò)測(cè)量IGBT模塊外部裸露的銅端子溫度，根據(jù)銅端子和芯片的溫度關(guān)系，判別IGBT模塊焊料層老化狀態(tài)和位置。熱流3通過(guò)芯片上方的硅膠和外殼散熱，但由于硅膠導(dǎo)熱效果不佳，熱量不易散發(fā)，所以本文研究中忽略該熱流支路的影響。

1.2 考慮芯片-銅端子的雙分支Cauer模型

根據(jù)電熱類(lèi)比理論［8］，由電阻和電容構(gòu)成Cauer模型等價(jià)于IGBT模塊的導(dǎo)熱過(guò)程，圖2顯示了考慮焊料層空洞和銅端子的雙分支熱等效電路，在IGBT模塊的傳統(tǒng)Cauer模型圖1即熱流1基礎(chǔ)上，圖1的熱流2可通過(guò)添加銅端子和上銅層部分來(lái)表征，可用于計(jì)算IGBT模塊的結(jié)溫以及判斷焊料層老化情況。

圖2中，P為IGBT模塊的等效熱損失，Rch、Cch分別為芯片的熱阻和熱容，Rso1、Cso1分別為芯片焊料層的熱阻和熱容，Rco1、Cco1分別為上銅層的熱阻和熱容，Rce、Cce分別為陶瓷基片的熱阻和熱容，Rco2、Cco2分別為下銅層的熱阻和熱容，Rso2、Cso2分別為底板焊料層的熱阻和熱容，Rbp、Cbp分別為底板的熱阻和熱容，Rco1′、Cco1′分別為與銅端子相連部分上銅層的熱阻和熱容，Rct、Cct分別為銅端子的熱阻和熱容，Rvo、Cvo分別為考慮焊料層空洞的熱阻和熱容。其Cauer模型可簡(jiǎn)化為如圖3所示的等效熱路圖。

圖3中，[Tct]為銅端子溫度，[Tbp]為底板溫度，[Z1]為芯片、芯片焊料層的熱阻抗之和，[Z2]為銅端子、上銅層的熱阻抗之和，[Z3]為上銅層、陶瓷基片、下銅層、底板焊料層和底板的熱阻抗之和。圖3更清晰地表示出由芯片產(chǎn)生的熱流通過(guò)阻抗[Z1]后，其一部分經(jīng)[Z2]到地，另一部分經(jīng)[Z3]到地（因?yàn)樵赗C網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)支路節(jié)點(diǎn)電壓表示該層的溫度，所以圖3中的兩個(gè)地并不相同）。在[Z2]支路中，銅端子與芯片之間依次通過(guò)芯片焊料層和一部分上銅層，其中受老化影響的部分只有芯片焊料層。在[Z3]支路中，熱流經(jīng)過(guò)芯片焊料層和底板焊料層最后到達(dá)底板。因此，通過(guò)熱流2路徑估計(jì)結(jié)溫受到老化影響最小，并且利用不同熱流支路流經(jīng)不同焊料層這一特性對(duì)芯片焊料層和底板焊料層老化位置進(jìn)行區(qū)分和定位。

當(dāng)研究模塊穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，僅需考慮熱阻的影響，因此由熱網(wǎng)絡(luò)模型可知，芯片和底板之間的有效熱阻Rch-bp可通過(guò)芯片、芯片和底板焊料層、DBC和底板的熱阻之和來(lái)定義，芯片和銅端子之間的有效熱阻Rch-ct可通過(guò)芯片、芯片焊料層、上銅層和銅端子之間的熱阻之和來(lái)定義。串聯(lián)熱阻網(wǎng)絡(luò)總和的計(jì)算公式為：

[Rch-bp=LchKchAch+Lso1Kso1Aso1+LDBCKDBCADBC+Lso2Kso2Aso2+LbpKbpAbp]""""" （1）

[Rch-ct=LchKchAch+Lso1Kso1Aso1+Lco1Kco1Aco1+LctKctAct]""" （2）

式中：[L]——各層材料的厚度，mm；[k]——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；A——熱通量流過(guò)各部分的有效橫截面積，mm2。

文獻(xiàn)［9］考慮空氣填充的空洞而推導(dǎo)出含空洞的焊料層熱阻的表達(dá)式為：

[Rso1=Lso1KsoAch1-Vf-1+Lso1KairAchVf-1-1=Lso1kso1Ach]"""""" （3）

[Kso1=Kso1-Vf+KairVf]""""" （4）

式中：[Vf]——空洞體積占芯片焊料層總體積的百分比；[Kso]——無(wú)任何空洞的原始焊料層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；[Kair]——空洞中空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）。

為了便于結(jié)溫計(jì)算將圖2的雙分支Cauer模型按照芯片-底板熱流路徑（路徑1）和芯片-銅端子熱流路徑（路徑②）劃分為七階和四階的RC網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓方程進(jìn)而建立功率損耗與節(jié)點(diǎn)溫度之間的關(guān)系，如圖4所示。由于在[T3（s）]

節(jié)點(diǎn)電流產(chǎn)生分流，所以將[k]設(shè)置為分流系數(shù)，熱流由芯片到達(dá)底板的功率損耗為[kP（s）]，則熱流由芯片到達(dá)銅端子的功率損耗即為[（1-k）P（s）]。此時(shí)，[T1]節(jié)點(diǎn)的溫度即芯片結(jié)溫可通過(guò)節(jié)點(diǎn)電壓方程計(jì)算得出。

2 仿真分析

2.1 IGBT模塊建模及其參數(shù)分析

運(yùn)用Proe三維繪圖軟件建立IGBT三維參數(shù)化結(jié)構(gòu)模型如圖5a所示，通過(guò)ANSYS Workbench有限元熱分析模擬真實(shí)傳熱狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)各部分進(jìn)行材質(zhì)添加，材料及熱參數(shù)如表1所示，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖5b所示。之后進(jìn)行熱分析，忽略鍵合線對(duì)溫度的影響，同時(shí)采用對(duì)流傳熱系數(shù)代替散熱器。

注：銅端子形狀不規(guī)則，所以其尺寸不能簡(jiǎn)單地用長(zhǎng)寬高表示，此外不進(jìn)行數(shù)據(jù)表述。

在實(shí)際工況中通常對(duì)IGBT模塊采用水冷式散熱器，水冷式散熱器的散熱效率極高，等于空氣自然冷卻換熱系數(shù)的100～300倍。以水冷式散熱器代替風(fēng)冷式散熱器，可大大提高器件的容量［10］，因此在有限元熱分析中對(duì)銅底板底部施加工業(yè)級(jí)熱對(duì)流換熱系數(shù)為3000 W/（m2·K），銅底板四周的側(cè)面以及暴露在空氣中銅端子部分的熱對(duì)流換熱系數(shù)為10 W/（m2·K），環(huán)境溫度設(shè)為20 °C。

2.2 芯片與銅端子溫度的關(guān)系

由于銅端子與芯片之間依次通過(guò)芯片、芯片焊料層、一部分上銅層和銅端子，其中受老化影響的部分只有芯片焊料層，相接的上銅層和銅端子不受老化影響，且銅的導(dǎo)熱性較好，因此可通過(guò)該熱流支路推導(dǎo)芯片結(jié)溫與銅端子溫度的關(guān)系。圖6為不同功率損耗IGBT模塊處于4種狀態(tài)時(shí)銅端子溫度與芯片結(jié)溫的關(guān)系。

從圖6可看出，當(dāng)改變運(yùn)行工況時(shí)，銅端子溫度與芯片溫度的比值基本相同，其主要原因是工況的改變并不會(huì)使熱流路徑2中的各層狀結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生明顯變化；底板焊料層老化雖然會(huì)對(duì)芯片結(jié)溫和銅端子的溫度產(chǎn)生一定影響但對(duì)比值的影響不明顯；當(dāng)芯片焊料層發(fā)生老化時(shí)，空洞或裂痕的存在會(huì)影響熱流的傳播路徑，從而改變芯片和銅端子的溫度，對(duì)比值產(chǎn)生影響。芯片焊料層老化對(duì)芯片結(jié)溫、銅端子溫度以及比值的影響大于底板焊料層老化的影響。

2.3 焊料層的老化類(lèi)型分析

不同位置焊料層的老化對(duì)IGBT模塊的壽命影響不同，在大部分研究中，由于底板焊料層老化對(duì)模塊的影響小于芯片焊料層老化對(duì)模塊的影響，所以常常忽略底板焊料層空洞對(duì)芯片結(jié)溫的影響。文獻(xiàn)［11］對(duì)不同半徑空洞的IGBT模塊芯片焊料層和底板焊料層分別進(jìn)行熱-力耦合仿真，當(dāng)?shù)装搴噶蠈拥目斩窗霃健?.5 mm時(shí)，對(duì)IGBT模塊芯片的溫度幾乎無(wú)影響，因此在本研究忽略底板焊料層空洞半徑≤0.5 mm的影響。由此說(shuō)明底板溫度受芯片焊料層和底板焊料層的影響，而銅端子溫度主要受芯片焊料層的影響。

為了區(qū)分芯片焊料層和底板焊料層老化特征，通過(guò)有限元熱仿真分別對(duì)IGBT模塊健康情況、空洞位于芯片焊料層、空洞位于底板焊料層以及空洞同時(shí)出現(xiàn)在芯片焊料層和底板焊料層等情況進(jìn)行熱分析，如圖7所示，其中Void表示焊料層出現(xiàn)的空洞。

分析圖7可知，當(dāng)模塊處于健康狀態(tài)時(shí)，銅端子溫度[Tct]與芯片結(jié)溫[Tj]的比值為[Tct/Tj=53.36 ℃/60.12 ℃=0.88756]；當(dāng)空洞位于芯片焊料層時(shí)，[Tct/Tj=53.512 ℃/ 64.786 ℃=]0.82600；當(dāng)空洞位于底板焊料層時(shí)，[Tct/Tj=53.395 ℃/]60.419 ℃=0.88374；空洞同時(shí)出現(xiàn)在芯片焊料層和底板焊料層時(shí)，[Tct/Tj=53.56 ℃/65.091 ℃=0.82285，]可看出芯片焊料層老化對(duì)銅端子溫度以及銅端子溫度與芯片結(jié)溫的比值產(chǎn)生影響，與2.2節(jié)中所得的結(jié)論相同。

2.3.1 芯片焊料層老化的判定

通過(guò)圖7可看出，焊料層空洞出現(xiàn)的位置會(huì)導(dǎo)致銅端子溫度不同程度地升高，具體的銅端子溫度變化以及不同情況之間的差值如圖8所示，其中a～d分別對(duì)應(yīng)圖7中4種焊料層老化狀態(tài)。當(dāng)芯片焊料層位置出現(xiàn)空洞時(shí)，銅端子溫度較健康狀態(tài)時(shí)的銅端子溫度明顯升高。當(dāng)銅端子溫度基本不變時(shí)，可判斷為IGBT模塊的芯片焊料層是健康的。因此，當(dāng)芯片焊料層空洞率增加時(shí)，芯片溫度明顯升高，銅端子溫度也會(huì)隨之升高，可將銅端子溫度作為對(duì)IGBT模塊芯片焊料層是否發(fā)生老化的一項(xiàng)指標(biāo)。

2.3.2 底板焊料層老化的判定

由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于焊料層，焊料層空洞的存在會(huì)改變IGBT模塊內(nèi)部的傳熱路徑和熱分布，所以焊料層空洞的存在減少了IGBT模塊內(nèi)的有效傳熱面積，造成了底板溫度分布的不均勻性。在IGBT模塊制作過(guò)程中，焊料層空洞生成的位置及大小都是不可預(yù)測(cè)的，并且空洞位置基本不對(duì)稱，因此對(duì)于隨機(jī)分布的空洞位置對(duì)底板焊料層溫度造成的影響并不能簡(jiǎn)單地用垂直方向上的熱流計(jì)算得到。圖9中虛線表示模塊健康狀態(tài)下的熱流路徑，此時(shí)[Tbp-side1=Tbp-side2]；實(shí)線表示底板焊料層出現(xiàn)空洞時(shí)的熱流路徑，[Tbp-centre、][Tbp-side1、][Tbp-side2]分別為底板中心位置、邊緣對(duì)稱位置兩點(diǎn)。當(dāng)出現(xiàn)圖9中所示的焊料層空洞時(shí)，空洞會(huì)影響熱流傳播路徑，導(dǎo)致Tbp-centre、[Tbp-side1、][Tbp-side2]發(fā)生變化，[Tbp-side1≠Tbp-side2]，

說(shuō)明底板焊料層出現(xiàn)老化。因此，對(duì)于底板焊料層空洞隨機(jī)分布的問(wèn)題，可通過(guò)測(cè)量底板對(duì)稱位置的溫度，對(duì)比底板溫度來(lái)判斷底板焊料層是否發(fā)生老化。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)原理及方法

實(shí)驗(yàn)原理如圖10所示，使用較黏稠的TIM熱界面材料，固定光柵在母排，當(dāng)材料冷卻后具有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度，不會(huì)輕易脫離并且具有較好的導(dǎo)熱能力。IGBT模塊的輸入為可調(diào)節(jié)電源，為保持模塊導(dǎo)通狀態(tài)，對(duì)IGBT模塊的門(mén)極施以不變的驅(qū)動(dòng)電壓。

采用紅外攝像頭對(duì)IGBT模塊芯片結(jié)溫進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量監(jiān)控，將光纖傳感器分別布置在銅端子中部和底板與散熱片的凹槽中。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電壓[VG=15 V]，使IGBT模塊處于恒定導(dǎo)通狀態(tài)，使用紅外熱成像儀測(cè)取IGBT功率模塊上芯片最高溫度，使用光纖傳感器測(cè)取模塊穩(wěn)定時(shí)銅端子溫度和底板溫度。IGBT模塊的[Vce（sat）]與[IC]二者乘積作為IGBT模塊熱網(wǎng)絡(luò)模型發(fā)熱量的模塊功率損耗。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

對(duì)第2節(jié)中提到的IGBT模塊老化狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。從圖11可看出，穩(wěn)態(tài)時(shí)，健康狀態(tài)的銅端子溫度為39.6 ℃，底板焊料層老化的銅端子溫度為40.2 ℃，芯片焊料層老化的銅端子溫度為42.0 ℃，芯片焊料層和底板焊料層同時(shí)老化的銅端子溫度為42.3 ℃。雖然底

板焊料層老化會(huì)使銅端子溫度升高，但芯片焊料層老化比底板焊料層老化對(duì)銅端子溫度影響更大，即證明利用銅端子溫度判斷芯片焊料層老化的可行性。表2對(duì)比了健康狀態(tài)下以及底板焊料層老化時(shí)底板對(duì)稱位置的溫度，可明顯看出當(dāng)?shù)装搴噶蠈映霈F(xiàn)老化后，對(duì)稱點(diǎn)的溫度不同。

綜上所述，利用包含芯片-銅端子熱流支路的雙分支Cauer模型，結(jié)合銅端子溫度以及焊料層老化后底板溫度分布的不均勻性，對(duì)IGBT模塊不同位置的焊料層老化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可有效區(qū)分芯片焊料層老化和底板焊料層老化，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)證明了該方法的可行性。

4 結(jié) 論

IGBT模塊主要用于實(shí)現(xiàn)電壓、頻率、直流交流轉(zhuǎn)換等功能，在光伏設(shè)備、新能源汽車(chē)、軌道交通、航空航天、風(fēng)力發(fā)電等新能源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，IGBT模塊是風(fēng)電變流器中能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，但由于風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性，導(dǎo)致IGBT模塊故障率高達(dá)50%以上，從而導(dǎo)致風(fēng)電變流器的運(yùn)行失效，因此對(duì)IGBT模塊可靠性監(jiān)測(cè)尤為重要。在IGBT模塊老化監(jiān)測(cè)中，熱網(wǎng)絡(luò)法在精準(zhǔn)地確定了模塊的實(shí)時(shí)損耗模型以及瞬態(tài)熱阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的前提下，結(jié)合參考點(diǎn)的溫度可實(shí)時(shí)地反推出IGBT模塊內(nèi)部的溫度分布情況。

本文提出一種考慮IGBT模塊芯片-銅端子熱流支路的雙分支Cauer模型，該模型能夠應(yīng)用于功率器件封裝設(shè)計(jì)和可靠性測(cè)試，可有效估計(jì)IGBT模塊芯片的結(jié)溫以及監(jiān)測(cè)封裝結(jié)構(gòu)的老化狀態(tài)。通過(guò)有限元熱仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了利用芯片溫度、銅端子溫度、底板溫度變化可對(duì)模塊焊料層的老化狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分，進(jìn)而定位焊料層老化位置，可有效解決芯片焊料層老化和底板焊料層老化的耦合關(guān)系。

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AGING MONITORING METHOD OF SOLDER LAYER OF

IGBT MODULE BASED ON DUAL-BRANCH CAUER MODEL

Liu Xueting，Du Mingxing，Ma Ge，Yin Yidi

（Tianjin Key Laboratory of New Energy Power Conversion，Transmission and Intelligent Control，

Tianjin University of Technology， Tianjin 300384， China）

Abstract：The solder layer of insulated gate bipolar junction transistor （IGBT） is selected as the research object. Based on the traditional Cauer model， the dual-branch Cauer model considering chip-copper terminal heat flow branch was proposed. The temperature of copper terminal exposed outside the IGBT module and the temperature of IGBT module baseplate were measured by optical fiber temperature sensor to obtain the IGBT chip junction temperature. By analyzing the changes of chip junction temperature， copper terminal temperature and baseplate temperature， the aging position of the solder layer is accurately located， the chip solder layer aging and baseplate solder layer aging is effectively distinguished.

Keywords：insulated gate bipolar transistor； condition monitoring； finite element analysis； solder layer aging； Cauer thermal network model