IGBT模塊焊料層空洞對模塊溫度影響的研究

徐 玲，周 洋，張澤峰，陳明祥，劉 勝

(華中科技大學機械科學與工程學院，武漢 430074)

0 引言

近年來，絕緣柵雙極晶體管 (IGBT，insulated gate bipolar transistor)以其輸入阻抗高、開關(guān)速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大、熱穩(wěn)定性好等特點，成為當今功率半導體器件發(fā)展主流。其應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于高鐵及軌道交通、汽車電子、風電、太陽能、家電節(jié)能、UPS、數(shù)控機床、焊機、電力傳輸?shù)阮I(lǐng)域。

IGBT模塊耐壓600 V以上、電流10 A以上、頻率為1 kHz以上，在工作條件下其輸出功率高，功耗大，進而發(fā)熱量大。研究表明，電子產(chǎn)品失效的原因約有60%是由溫度升高造成的，并且器件的失效率隨溫度的升高呈指數(shù)趨勢增長，溫度每升高10℃失效率將提高一倍［1］。因此，對IGBT封裝，散熱是提高器件可靠性及壽命的關(guān)鍵。

IGBT模塊工藝中涉及環(huán)節(jié)頗多，在真空回流焊接工藝過程中，芯片與直接敷銅陶瓷基板(DBC，direct bond copper)上銅層之間的焊料層以及DBC下銅層與模塊底板之間的焊料層由于工藝限制，均會存在空洞?？斩闯霈F(xiàn)的原因來自于多方面，其存在極大的影響了模塊的熱性能，使得模塊熱阻增大、散熱性能降低、器件局部溫度升高，甚至在長期工作條件狀態(tài)下會造成焊料層與基板脫層等失效，而降低模塊的可靠性和使用壽命［2，3］。因此，弄清焊接過程中空洞的形成機理，并研究空洞對模塊的溫度及可靠性的具體影響意義重大。國內(nèi)外關(guān)于空洞對器件溫度的影響已進行了一些研究［4～12］，但空洞的位置分布、尺寸大小等細節(jié)參數(shù)對芯片及模塊溫度的影響尚無具體分析。

下面首先分析了焊料層中空洞的形成機理，再對比模塊有無空洞兩種情形下的器件熱性能。由于模塊在工作條件下的測量不穩(wěn)定性及復(fù)雜性，故采用有限元分析(FEA，finite element analysis)方法對該器件進行熱特性及機械特性研究，故建立IGBT模塊的有限元分析模型，計算焊料層中的空洞對封裝體的溫度分布的影響，研究空洞的尺寸大小和位置分布等對器件溫度分布的影響。

1 IGBT模塊焊料層空洞形成機理

1.1 IGBT 模塊結(jié)構(gòu)

IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)，如圖1所示，芯片焊接到DBC基板上，DBC基板焊接到銅基板上，再通過粗鋁線鍵合工藝實現(xiàn)芯片及外接端子之間的電氣連接，而后密封膠水安裝殼體，再灌注硅凝膠，實現(xiàn)模塊內(nèi)部的密封、防潮、防震及絕緣。

圖1 IGBT模塊示意圖(鍵合鋁線未顯示)

1.2 焊料層空洞形成機理分析

焊料層的空洞出現(xiàn)在貼片工藝步驟中。IGBT模塊的貼片工藝主要采用 Sn96.5Ag3Cu0.5焊膏(簡稱SAC305)和真空回流焊接技術(shù)。

SAC305焊膏的熔點為217℃ ～219℃，回流峰值溫度設(shè)為240℃，液相線上停留時間設(shè)為60 s，加熱因子為660 s·℃，滿足焊膏加熱因子最佳范圍［13］，由此設(shè)計出對應(yīng)回流曲線，如圖2所示。

IGBT芯片面積通常為6 mm×6 mm及以上，屬于大芯片焊接，為了提高焊接質(zhì)量，在回流工藝中形成氮氣氛圍以減少焊膏熔化過程中成分氧化而產(chǎn)生雜質(zhì)，同時增加真空步驟，施加負壓抽取揮發(fā)性物質(zhì)，以提高焊接質(zhì)量，減少焊料層空洞的產(chǎn)生。

圖2 真空回流焊接回流曲線

然而，焊膏在焊接過程中溶劑和部分添加劑揮發(fā)，增加真空條件的負壓載荷只能減少揮發(fā)的殘留，而未完全揮發(fā)的成分則在合金焊料粉熔化后再冷卻的過程中夾雜在焊料層中，從而形成空洞。并且溶劑及助焊劑的粘性越強，其揮發(fā)物越易被吸附，從而焊點空洞越容易形成。此外，雜質(zhì)在液態(tài)的合金焊料粉中聚集，同樣形成空洞。

空洞在IGBT模塊的使用過程中并不維持穩(wěn)定，由于材料熱膨脹系數(shù)(CTE，coefficient of thermal expansion)的不匹配，隨著工作過程中模塊溫度的變化將產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而使得空洞進一步擴大，長期使用甚至造成相鄰空洞連成片而產(chǎn)生焊料層的脫層，從而造成模塊的功能失效。

2 模型描述及仿真相關(guān)參數(shù)

以1200 V、75 A的IGBT模塊為例，建立有限元模型進行分析。其中IGBT芯片為主要熱源，其工作中的功率損耗為60 W，芯片尺寸為6.5 mm×6.5 mm，模塊內(nèi)部共有六塊IGBT芯片，分布在兩塊DBC基板上。底板材料為銅。

采用COMSOL有限元分析軟件計算穩(wěn)態(tài)熱傳導問題，建立幾何模型和有限元模型時作出如下假設(shè):鋁線線徑為0.5 mm，相對模塊整體傳熱很小，故認為芯片熱量不沿鋁線傳遞，因此模型中忽略鍵合線;IGBT器件工作中，熱傳遞方式包括模塊內(nèi)部由于芯片自發(fā)熱進行的熱傳導，模塊表面于外界空氣的對流換熱，以及熱源的輻射換熱。在計算中，由于工作溫度不高于125℃并且模塊內(nèi)部填充熱導率小于1 W/(m·K)的硅凝膠，故忽略了輻射換熱和模塊內(nèi)的對流換熱;模塊整體安裝在帶翅片的熱沉上進行強制對流換熱。綜上，認為模塊的熱傳遞途徑為對芯片施加均勻熱源，熱量從芯片通過焊料、DBC、銅基板、熱沉途徑向外界傳熱?；宓酌媸┘赢斄繉α鲹Q熱系數(shù)(2000 W/m2·K)，環(huán)境溫度取40℃;對于芯片，考慮溫度對材料性能的影響;對于焊料層空洞，假設(shè)空洞為圓柱形，且貫穿整個焊料層;網(wǎng)格為四面體單元，銅基板部分網(wǎng)格尺寸為1.2 mm ～9.60 mm，芯片和焊料層部分網(wǎng)格尺寸為0.48 mm～6.6 mm。有限元網(wǎng)格模型，如圖3所示。

圖3 有限元網(wǎng)格模型

有限元分析模型中具體各部分材料參數(shù)及厚度，見表1。

表1 IGBT模塊有限元模型材料性能參數(shù)及厚度

3 結(jié)果分析及討論

3.1 空洞檢測試驗結(jié)果

無損檢測焊料層的空洞通常采用超聲波掃描顯微鏡(SAM，scanning acoustic microscopy)方法，通過超聲波穿透模塊，其中缺陷處的空氣層阻斷超聲波的傳輸，可以分層反應(yīng)出空洞的位置和尺寸，檢測結(jié)果，如圖4所示。圖4中可見四塊焊料層，分別編號為1、2、3、4，其中白色亮點即為焊料層空洞。經(jīng)測量可知，焊料層中最大空洞直徑為2.28 mm。

圖4 焊料層空洞檢測SAM圖像及空洞直徑測量

定義空洞率θ為空洞面積占焊料總面積之比來定量描述焊料層空洞大小，將所測系列芯片的焊料空洞測量結(jié)果，見表2。

表2 焊料層空洞尺寸測量

3.2 焊料層無空洞與有空洞時模塊整體溫度分布

首先針對焊料中出現(xiàn)空洞位置進行設(shè)定及編號。焊料表面為正方形，由于對稱性，在三條邊上設(shè)定總計六個空洞點(編號1－6)作為空洞位置的特征點，如圖5所示。

圖5 焊料層空洞分布示意圖

模塊溫度分布，如圖6所示。

圖6 模塊溫度分布

焊料層無空洞時模塊整體溫度分布如圖6(a)所示，最高溫度為96.414℃。而當模塊內(nèi)出現(xiàn)空洞，在六塊芯片上分別增加一個空洞，即使空洞率很低(此處根據(jù)上文所測焊料層空洞尺寸分布，取中間值即空洞半徑0.5 mm，空洞率為1.8%)，芯片最高溫升高為133.71℃，出現(xiàn)在空洞上方，形成熱斑，直接造成芯片燒毀，如圖6(b)所示。

當焊料層出現(xiàn)空洞時，空洞處的熱導率為空氣熱導率5 W/(m·K)，遠遠低于焊料的導熱能力，熱量在空洞處聚集形成熱斑，燒毀芯片。

3.2 空洞尺寸對溫度分布的影響

針對3.1中模塊中存在空洞的情況進一步進行分析，研究空洞尺寸對溫度分布的影響?？斩闯叽缬绊懶酒瑹岚咛幍淖罡邷?，在焊接工藝中難免出現(xiàn)空洞，故而研究滿足可靠性要求的空洞率允許范圍來規(guī)范工藝，從而制定焊接工藝的檢測標準。假設(shè)空洞位于焊料層的中心，空洞半徑從0 mm～1 mm變化且變化步進為0.1 mm時，芯片溫度分布如圖7所示。從圖中可以看出，存在空洞時溫度明顯上升，并且，隨著空洞直徑的增加，芯片位于空洞上方位置的溫度急劇增加。無空洞時，芯片最高溫度為70℃，而當空洞尺寸增加到半徑1 mm時，芯片最高溫升高到107℃。焊料層空洞半徑與芯片最高溫度的關(guān)系如圖8所示。由圖7可見，從焊料層存在空洞開始，焊料層空洞半徑與芯片最高溫基本呈線性關(guān)系。

圖7 焊料層空洞半徑與芯片溫度分布的關(guān)系

圖8 焊料層空洞半徑與芯片最高溫度的關(guān)系

3.3 空洞位置分布對溫度分布的影響

焊料層空洞無法避免的時候，焊料層空洞的位置就變得尤為重要。關(guān)鍵部位確保無空洞，部分位置出現(xiàn)空洞在可靠性適應(yīng)范圍之內(nèi)是可以接受的?；谡w模塊的分析結(jié)果，分析圖5中1－6特征點。通過有限元計算確定不同位置空洞分布對芯片最高溫的影響，計算結(jié)果如圖9所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，焊料空洞越靠近焊料層中央(如點1、2、3)，造成的溫度增加就越高。如果焊料層空洞位于底邊角點處(如點5、6)，則溫度增加就較少。當空洞半徑為0.5 mm時，空洞出現(xiàn)在最中心時芯片最高溫為76℃，而位于底邊中心處芯片最高溫則為70℃。這是因為越靠近焊料中心的位置，越容易形成熱量集中而導致溫度較高。因此，控制空洞出現(xiàn)的位置在焊接工藝中也極為重要，在焊料層空洞無法避免的時候，盡量使空洞出現(xiàn)在角落處，可降低空洞對溫度增加的影響。

圖9 不同位置空洞分布與芯片最高溫的關(guān)系

3.4 空洞存在時焊料層厚度對溫度分布的影響

空洞的存在及焊料層本身性質(zhì)同時作用于對模塊溫度分布的影響，因此進行多重因素的分析，進一步針對空洞存在時焊料層厚度變化對模塊溫度分布的影響進行分析。

參考 IGBT模塊的貼片焊接工藝，焊料層厚度從0.1 mm～0.2 mm進行參數(shù)化分析，步進取0.02 mm。此時，設(shè)定空洞半徑0.5 mm，空洞位置位于6號點(參考圖5空洞位置標注)。研究焊料層厚度與芯片最高溫度的關(guān)系，分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 焊料層厚度與芯片最高溫度的關(guān)系

從圖中可見，焊料層厚度與芯片最高溫度的關(guān)系幾乎呈線性變化，且焊料層厚度每增加0.1 mm，芯片最高溫升高2.7℃。據(jù)此可控制焊料層的最高厚度。

4 結(jié)語

通過上述分析，得出以下結(jié)論:

(1)空洞存在極大地增加了芯片最高溫度。無空洞時芯片的最高溫度僅為96.414℃，而當空洞半徑為0.5 mm時，芯片最高溫達到133.71℃，出現(xiàn)在空洞位置處，造成芯片局部過熱而燒毀。

(2)空洞尺寸越大，溫度增加越明顯。隨著空洞尺寸從0增加到1 mm，芯片最高溫度從70℃增加到107℃。

(3)焊料層空洞越靠近中心位置，相應(yīng)芯片的最高溫度就越高。當空洞半徑為0.5 mm時，分析六個特征位置點空洞可以發(fā)現(xiàn)，空洞出現(xiàn)在最中心時芯片最高溫為76℃，而位于底邊中心處芯片最高溫則為70℃。

(4)焊料層厚度越大，相應(yīng)芯片的最高溫度就越高。當空洞半徑為0.5 mm，空洞出現(xiàn)在最中心時，隨著焊料層厚度從0.1 mm到0.2 mm變化時，焊料層厚度每增加0.1 mm，芯片最高溫升高2.7℃。

因此，在焊接工藝中，由于現(xiàn)有的真空回流焊接工藝條件無法避免空洞的形成，那么保證一定的空洞率范圍即控制空洞尺寸在允許大小之內(nèi)，并且控制空洞出現(xiàn)的位置盡量在邊角處，焊料層厚度可適當減薄，將極大地降低空洞的存在對溫度升高的影響，從而提高模塊的可靠性和使用壽命。

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