車載逆變電源IGBT焊點熱疲勞裂紋萌生及擴展研究*

于士軍，朱恒偉

車載逆變電源IGBT焊點熱疲勞裂紋萌生及擴展研究*

于士軍，朱恒偉

（德州學院汽車工程學院，山東 德州 253000）

車載逆變電源中的IGBT在使用過程中，由于電流斷續(xù)作用，會引起IGBT焊點在熱疲勞過程中產(chǎn)生裂紋并擴展。通過實驗，對釬料焊點的裂紋擴展規(guī)律進行了研究。通過微觀及外觀研究，發(fā)現(xiàn)了不同釬料和不同焊盤尺寸的裂紋萌生及擴展規(guī)律。

IGBT；熱疲勞；裂紋擴展

引言

車載逆變電源可以將車載蓄電池的直流12V電壓轉(zhuǎn)換成交流220V電壓，滿足外出時隨車使用筆記本電腦、手機充電等需要，其安全可靠性直接關(guān)系到出行的體驗和工作的順利完成。其電路板中的SMD元件焊接過程中，焊點的可靠性影響到了元件的正常工作時的電流通行和機械穩(wěn)定性。所以，焊點的穩(wěn)定性至關(guān)重要。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，由于電流產(chǎn)生的熱疲勞破壞是影響焊點可靠性的重要原因，對焊點由于熱疲勞而產(chǎn)生的裂紋萌生及擴展進行研究具有重要意義。

1 焊點熱疲勞裂紋研究的試驗方法

選擇兩種不同的焊膏，分別是柏仕達TZ1011含鉛焊膏Sn63Pb37和DT-168A-W1無鉛焊膏Sn96.5Ag3.0Cu0.5。含鉛焊膏為早期使用較為廣泛的釬料，隨著對環(huán)保要求的不斷提升，無鉛焊膏越來越受到重視。選用兩種不同焊膏進行試驗對比，研究其裂紋萌生和擴展規(guī)律。同時，選用兩種不同的焊盤尺寸，分別對應0201和0402型SMD元件，研究尺寸不同對熱疲勞裂紋的萌生和擴展的影響。

進行試驗時，將熱疲勞試驗機中焊點處的試驗溫度范圍定為–55～125℃，高溫和低溫的時間保持在10min，加熱時間和降溫時間都控制在3min。300次循環(huán)后先用電鏡掃描觀察顯微組織的變化情況，然后對焊點進行磨削處理，觀察裂紋情況；500次、800次后再次重復上述操作，研究裂紋擴展規(guī)律。

2 裂紋擴展試驗結(jié)果分析

2.1 熱疲勞裂紋外觀變化情況分析

將熱疲勞300次的一部分焊板取出，磨削至焊點中間部位進行觀察，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)兩種裂紋萌生狀態(tài)：一種為裂紋出現(xiàn)在SMD元件的頂角部位，并向元件底部與焊盤的接觸面發(fā)展；第二種為裂紋在元件頂角和元件底部與焊盤接觸面處產(chǎn)生。當觀察熱疲勞500次的試驗焊板時，發(fā)現(xiàn)兩種裂紋都有所發(fā)展，第一種裂紋由頂角向元件與焊盤的接觸面方向擴展；第二種裂紋已經(jīng)完全擴展至元件與焊盤的接觸面，并且沿著元件的側(cè)面與釬料的接觸面向上擴展。熱疲勞循環(huán)800次之后，取出部分試驗焊板進行觀察，發(fā)現(xiàn)第一種裂紋已經(jīng)導致元件與焊盤接觸部位完全脫離，但側(cè)面與釬料仍然保持一定的焊接狀態(tài)；第二種裂紋導致元件無論是側(cè)面還是底面，都與釬料脫離。

這兩種裂紋在不同的釬料和焊盤尺寸中都有發(fā)生，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)一定規(guī)律。在熱疲勞循環(huán)次數(shù)較少時，無鉛釬料要比含鉛釬料的裂紋萌生得要慢；大焊盤要比小焊盤裂紋萌生得慢。同時，熱循環(huán)次數(shù)少時，裂紋擴展得也較慢。熱疲勞循環(huán)500次以后，裂紋擴展得速度加快，但依然是無鉛釬料要比含鉛釬料的裂紋擴展得要慢；大焊盤要比小焊盤裂紋擴展得慢，但此時，由于焊點已被破壞得較嚴重，所以其強度已經(jīng)被削弱。到了熱疲勞循環(huán)800次以后，焊點被貫穿的數(shù)量急劇增加。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，無鉛釬料要比含鉛釬料焊點失效數(shù)量要少，大焊盤要比小焊盤焊點失效的數(shù)量要少。

2.2 熱疲勞過程中顯微組織的變化情況分析

因為元件、焊盤和釬料熱膨脹情況是不同的，所以焊點之中存在熱應力，從而使得焊點處產(chǎn)生熱疲勞裂紋，這種由于塑性變形的不均勻?qū)е铝鸭y逐漸擴展。通過電鏡掃描，可以發(fā)現(xiàn)隨著熱疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋的萌生及擴展情況。如圖所示為熱循環(huán)為300、500和800次之后的顯微組織。

圖1 300次熱疲勞后組織粗化

圖2 500次熱疲勞后裂紋產(chǎn)生

由觀察可見，在熱疲勞初期，焊點各處都可以看到均勻粗化的組織；但是隨著次數(shù)的逐漸增加，元件、焊盤和焊點由于材料不同，變形不同，熱應力不同，導致接近兩者的組織粗化程度超過了焊點的中心部位。在觀察500次熱循環(huán)的電鏡掃描圖，可以發(fā)現(xiàn)裂紋開始產(chǎn)生在變形量相差較大的不同金屬相界面處。觀察800次熱循環(huán)電鏡掃描圖，可以發(fā)現(xiàn)又有許多細小的裂紋出現(xiàn)在變形情況相近的不同金屬相界面。

圖3 800次熱疲勞后裂紋擴展

由觀察又可以發(fā)現(xiàn)，對于不同釬料和不同焊盤尺寸的焊點中都會發(fā)生裂紋萌生及擴展，但通過比較可以發(fā)現(xiàn)，無鉛釬料的焊點裂紋明顯小于含鉛釬料焊點；小尺寸焊盤上的焊點裂紋情況明顯要比大尺寸的要嚴重得多。

2.3 試驗結(jié)果

通過試驗外觀及顯微組織對比分析，可以看出，使用無鉛釬料焊接的元件，其抗熱疲勞性能明顯要強于含鉛釬料。對于之前廣泛使用的含鉛釬料來說，用無鉛釬料替代，可以有效提高焊點的使用壽命。盡管無鉛釬料成本略高一些，但綜合來看，為了提高元器件的可靠性，提升逆變電源在各種復雜路況下的使用可靠性，使用無鉛釬料進行焊接，提升車輛配置的品質(zhì)，可以明顯提升用戶體驗。

對于不同焊盤尺寸的焊點來說，尺寸不同，對焊點的質(zhì)量有直接的影響。焊盤尺寸越大，越會降低焊板的故障率，有效提升焊點的抗熱疲勞性能，在設計電路板時，要盡量將焊盤尺寸設定一個合理值，某種程度上來說，控制了焊盤尺寸，就實現(xiàn)了對抗熱疲勞性能的控制。

通過微觀觀察可見，由于不同金屬相的彈性模量不同，導致不同組織的熱膨脹系數(shù)不同，從而使得焊點發(fā)生裂紋并擴展，最終導致焊點失效。所以通過改善釬料材料，可以有效提升焊點的抗熱疲勞性能。

3 結(jié)論

通過對含鉛及無鉛釬料及不同尺寸焊盤試驗板焊點進行熱疲勞試驗研究發(fā)現(xiàn)，有兩種裂紋擴展方式；裂紋萌生和擴展隨著熱疲勞次數(shù)的增加而加速；無鉛釬料較含鉛釬料有更好的抗熱疲勞性能；大尺寸焊盤焊點可靠性更高，因此，對于經(jīng)常行走于不同路況的車輛來說，選用無鉛釬料及大尺寸焊盤進行焊接，可有效提升焊點的熱疲勞強度，提高車載逆變電源的可靠性。

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The Research of Thermal Fatigue Cracks Initiation and Propagation of IGBT Solder Joints of Vehicle Inverter*

Yu Shijun, Zhu Hengwei

( College of Automotive Engineering, Dezhou University, Shandong Dezhou 253000 )

When IGBT of vehicle inverter is used，thermal fatigue cracks initiation and propagation of IGBT solder joints appear because of intermittent action of current. The crack propagation law of solder joints is studied through experiments. Crack initiation and propagation patterns of different solders and different pad sizes are found by microscopic and appearance studies.

IGBT; Thermal fatigue; Crack propagation

B

1671-7988(2019)21-140-03

于士軍（1974.11-），男，碩士，黑龍江佳木斯人，就職于德州學院汽車工程學院。研究方向：汽車電器。朱恒偉，碩士，就職于德州學院汽車工程學院。研究方向：汽車電器。

U467

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1671-7988(2019)21-140-03

教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“杭州繪自傳網(wǎng)絡科技有限公司師資培訓”，編號：201802165024。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.049

CLC NO.: U467