基于有限元仿真的IGBT 混合模塊的可靠性分析*

劉 巖，張運(yùn)杰，鮑 婕*，徐文藝，方 明，朱計(jì)生

(1.黃山學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，安徽 黃山245041；2.智能微系統(tǒng)安徽省工程技術(shù)研究中心，安徽 黃山245041；3.黃山寶霓二維新材科技有限公司，安徽 黃山245900；4.黃山市七七七電子有限公司，安徽 黃山245600)

隨著IGBT 模塊性能不斷提升，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，并憑借容量大、驅(qū)動(dòng)功率小及開(kāi)關(guān)速度快等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防軍工等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，以及新能源、智能電網(wǎng)等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，同時(shí)也對(duì)模塊可靠性提出了更高的要求[1-2]。 采用硅基IGBT 與SiC 基續(xù)流二極管組成的混合模塊，有助于實(shí)現(xiàn)裝置的輕量化、小型化、高效化及節(jié)能化[3]，并廣泛應(yīng)用在軌道交通、安防等眾多領(lǐng)域[4]。 伴隨著核心電子器件封裝密度提高，以及電氣裝置功率等級(jí)的提高，器件芯片處的結(jié)溫也隨之升高，而散熱不及時(shí)會(huì)造成模塊過(guò)熱失效，同時(shí)，因結(jié)溫波動(dòng)而產(chǎn)生的熱應(yīng)力也是造成其失效的重要因素[5-6]。 熱應(yīng)力的產(chǎn)生是由于各層間材料不同，造成層與層之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)不能較好地匹配。 IGBT 功率模塊運(yùn)行產(chǎn)生焦耳熱，會(huì)引發(fā)溫度波動(dòng)進(jìn)而造成模塊內(nèi)部產(chǎn)生循環(huán)熱應(yīng)力，其中在焊料層處作用效果最明顯。 熱應(yīng)力的影響可造成焊料處出現(xiàn)裂紋，并進(jìn)一步影響模塊散熱，即可導(dǎo)致高溫區(qū)域集中[7-9]。因此，研究IGBT 混合模塊的結(jié)溫和熱應(yīng)力情況并分析焊料層中空洞的影響，對(duì)改善模塊的可靠性及降低模塊的老化失效有重要意義。

新型的石墨烯材料是由碳原子經(jīng)sp2雜化方式形成，其獨(dú)特的平面六元環(huán)結(jié)構(gòu)為石墨烯帶來(lái)了優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性質(zhì)[10]，再加上石墨烯薄膜密度低、熱膨脹系數(shù)小、電子遷移率高以及化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，使其成為新一代最具潛力的高導(dǎo)熱材料，尤其在電子元器件等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[11]。 本文將高導(dǎo)熱石墨烯材料應(yīng)用于IGBT 混合模塊的封裝結(jié)構(gòu)中，發(fā)揮其面內(nèi)熱導(dǎo)率高的優(yōu)勢(shì)，將局部熱點(diǎn)的熱量橫向傳開(kāi)，改變整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)路徑，從而降低模塊結(jié)溫，改善熱應(yīng)力帶來(lái)的失效問(wèn)題，提升模塊的可靠性[12-15]。

1 IGBT 混合模塊的封裝結(jié)構(gòu)

本文的基礎(chǔ)模型是參考硅基IGBT 模塊的封裝結(jié)構(gòu)，延伸出的由硅基IGBT 與SiC 基JBS 芯片組成的混合模塊，與傳統(tǒng)IGBT 模塊相比，SiC 的存在將會(huì)使混合模塊具備更高耐高溫性、耐壓性并降低反向電流、提高關(guān)斷電壓以及反向恢復(fù)速度，提高器件的轉(zhuǎn)換效率[16-17]。 實(shí)驗(yàn)證明，1 700 V/1 600 A 傳統(tǒng)的IGBT 模塊的反向恢復(fù)損耗為400 mJ，開(kāi)關(guān)能量損耗為3.42 J，而加入了SiC 的IGBT 混合模塊的反向恢復(fù)損耗降至19 mJ，開(kāi)關(guān)能量損耗降至2.56 J，驗(yàn)證了IGBT 混合模塊具備更優(yōu)異的性能[18]。

模型的封裝結(jié)構(gòu)是由芯片、焊料層、DBC、基板、熱界面材料以及散熱裝置組成。 利用有限元分析軟件構(gòu)建IGBT 混合模塊的物理模型，如圖1 所示，并為各層附上相應(yīng)的材料，結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)見(jiàn)表1 和表2。

圖1 IGBT 混合模塊

表1 IGBT 混合模塊的幾何尺寸參數(shù) 單位:mm

表2 IGBT 混合模塊的材料參數(shù)

2 IGBT 模塊的熱仿真研究

IGBT 功率模塊的可靠性主要受到高功率帶來(lái)的高熱流密度的影響，因此研究其最高結(jié)溫以及最大熱應(yīng)力可以反映功率模塊的可靠性對(duì)外界溫度變化的抵抗能力，是極為重要的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。 在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，將IGBT 和JBS 的芯片均設(shè)為體熱源，對(duì)IGBT 芯片加載80 W 的功率，對(duì)JBS 芯片加載20 W 的功率，熱通量設(shè)為常溫常壓下的外部強(qiáng)制對(duì)流，空氣流速設(shè)置為5 m/s。 仿真結(jié)果如圖2 所示。

2.1 各層材料厚度對(duì)模型可靠性的影響

模型中，結(jié)溫最高處位于IGBT 芯片，溫度為135.2 ℃；熱應(yīng)力最大處位于IGBT 焊料層與DBC 上銅層貼合處，應(yīng)力為128 MPa。 自上而下依次調(diào)整芯片、焊料層、DBC 上銅層、DBC 陶瓷層、DBC 下銅層及下焊料層的厚度。 得到結(jié)溫變化情況如圖3 所示。 增加芯片的厚度，模型中結(jié)溫先降低后上升，當(dāng)芯片厚度為0.4 mm 時(shí)，結(jié)溫最低，但總體變化幅度較?。辉黾雍噶系暮穸?，結(jié)溫線性上升，當(dāng)焊料厚度為0.1 mm 時(shí)，結(jié)溫最低；增加DBC 上銅層的厚度，結(jié)溫線性下降；增加DBC 陶瓷層的厚度，結(jié)溫線性上升，當(dāng)陶瓷層厚度為0.3 mm 時(shí)，結(jié)溫最低為128 ℃；增加DBC 下銅層的厚度，結(jié)溫線性下降；增加基板焊料層的厚度，結(jié)溫線性上升，當(dāng)厚度為0.05 mm 時(shí)，結(jié)溫最低。

熱應(yīng)力變化情況如圖4 所示，增加芯片、焊料、DBC 上銅層的厚度，模型中熱應(yīng)力先下降后趨于平穩(wěn)，當(dāng)芯片厚度達(dá)到0.6 mm 時(shí)，熱應(yīng)力穩(wěn)定在121 MPa；當(dāng)焊料厚度達(dá)到0.7 mm 時(shí)，應(yīng)力穩(wěn)定在80 MPa；當(dāng)DBC 上銅層的厚度達(dá)到0.4 mm 時(shí)，熱應(yīng)力穩(wěn)定在105 MPa ～125 MPa 之間；增加DBC 陶瓷層與DBC 下銅層的厚度，熱應(yīng)力線性上升；增加基板焊料層的厚度，熱應(yīng)力對(duì)數(shù)上升，當(dāng)焊料厚度為0.05 mm 時(shí)，熱應(yīng)力最小為111 MPa。

圖2 IGBT 混合模塊的仿真結(jié)果

圖3 模型各層厚度與結(jié)溫的關(guān)系

圖4 模型各層厚度與熱應(yīng)力的關(guān)系

綜上所述，以市售功率模塊封裝材料尺寸為參考，各部分封裝材料的厚度變化要考慮工藝可行性以及模塊生產(chǎn)成本問(wèn)題，因此在遵循實(shí)際工藝參數(shù)可調(diào)范圍的前提下，將IGBT 與JBS 芯片厚度從0.1 mm 調(diào)整至0.2 mm，兩個(gè)芯片下部焊料厚度從0.1 mm 調(diào)整至0.15 mm，DBC 上銅層的厚度從0.3 mm 調(diào)整至0.4 mm。 調(diào)整后模型最高溫度與最大熱應(yīng)力所處的位置未發(fā)生改變，結(jié)溫從135.2 ℃降至134.7 ℃，最大熱應(yīng)力從128 MPa 降至108 MPa，模塊可靠性通過(guò)優(yōu)化各層材料厚度可以得到略微改善。

2.2 焊料層空洞對(duì)模型可靠性的影響

空洞是在焊料層焊接的步驟中，由未完全揮發(fā)的成分在焊料冷卻的過(guò)程中形成[19]，即不可避免空洞的產(chǎn)生。 空洞會(huì)出現(xiàn)在芯片的垂直方向，有不完全貫穿和貫穿兩種形式，前者對(duì)元件的可靠性影響較大[20]。 空洞的存在使得熱傳導(dǎo)的有效焊料截面積大幅降低，進(jìn)而導(dǎo)致芯片溫度及應(yīng)力升高，并對(duì)元件的可靠性造成影響。

式中:ΔT 為溫度梯度；Q 為傳導(dǎo)的熱流量；λ 為導(dǎo)熱系數(shù)；A 為垂直于熱流的截面積，選取溫度增大方向?yàn)檎?假定空洞位于IGBT 芯片下部焊料層中心，固定高度為0.02 mm，空洞半徑從0 mm 至0.7 mm轉(zhuǎn)變且步進(jìn)為0.1 mm 的圓柱體。 傳導(dǎo)的熱流量Q恒定，隨著空洞半徑的增大，熱量通過(guò)的給定截面面積減小，芯片的溫度梯度變大，模塊中的結(jié)溫升高。出現(xiàn)空洞后，模型中應(yīng)力最大位置從焊料邊緣處轉(zhuǎn)移至空洞邊緣，且隨著空洞增大，應(yīng)力基本呈線性增長(zhǎng)。

圖5 結(jié)溫及熱應(yīng)力隨單個(gè)空洞半徑的變化關(guān)系

如圖5 所示，在無(wú)空洞時(shí)模型結(jié)溫及熱應(yīng)力均處于較低水平，結(jié)溫為135 ℃，熱應(yīng)力為128 MPa；當(dāng)空洞半徑增加到0.5 mm 時(shí)，結(jié)溫升高至140 ℃，熱應(yīng)力升高至161 MPa，即空洞的存在使得IGBT 混合模塊的溫度及熱應(yīng)力急劇上升，降低了模塊的可靠性，且空洞越大，造成的影響越大。 焊料層中的空洞在IGBT 混合模塊運(yùn)行過(guò)程中并不是一成不變的，在工作過(guò)程中受模塊溫度變化而產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)使得空洞進(jìn)一步擴(kuò)大，長(zhǎng)期的循環(huán)工作甚至?xí)斐上噜徯】斩磸?fù)合形成大空洞的情況。

本文模擬了隨著多個(gè)小空洞逐漸變大，進(jìn)而連成片形成大空洞的過(guò)程。 在模型的焊料層中埋入代表空洞的球體，以空氣作為填充材料，在空洞之間未接觸時(shí)，隨著空洞的增大，模型結(jié)溫與熱應(yīng)力隨之增大，其中結(jié)溫增長(zhǎng)較緩慢。 當(dāng)空洞半徑達(dá)到0.25 mm 時(shí)，模型中相鄰的球體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)交叉，即為小空洞之間彼此接觸，形成了半徑更大的球體空洞。 隨著空洞半徑的增大，結(jié)溫增長(zhǎng)較快，熱應(yīng)力得到緩解，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但熱應(yīng)力的數(shù)值仍處于較高水平，仿真計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。 相比于小空洞，連成片后形成大空洞對(duì)模塊造成的影響更大，即在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)避免大空洞的產(chǎn)生。

圖6 結(jié)溫及熱應(yīng)力隨多個(gè)空洞半徑的變化關(guān)系

本文選取3 種具有代表性的空洞位置進(jìn)行比較，其中圓柱體空洞高度及半徑固定為0.2 mm。 由仿真結(jié)果可知，焊料層中的空洞距離芯片垂直方向的中心位置越近，模塊的結(jié)溫與熱應(yīng)力就越大，最高結(jié)溫為136 ℃，最大熱應(yīng)力為299 MPa。 而當(dāng)空洞位于邊角位置時(shí)，結(jié)溫降至135 ℃，熱應(yīng)力降至172 MPa。 即在實(shí)際應(yīng)用中，控制出現(xiàn)在焊料層中芯片垂直方向的中心位置的空洞數(shù)量，將會(huì)極大地提高模型可靠性。

2.3 石墨烯薄膜對(duì)模型可靠性的影響

近年來(lái)，隨著電子信息技術(shù)與科技向高度集成化的發(fā)展，電子元件的可靠性也日益成為了不容回避的話題。 石墨烯以其卓越的熱傳導(dǎo)性能受到越來(lái)越來(lái)的關(guān)注，在理想情況下，單層石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)甚至高達(dá)5 300 W/(m·K)[21-24]。 石墨烯薄膜憑借其優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，被認(rèn)為是一種非常有前途的散熱材料。為研究熱耗散及熱應(yīng)力對(duì)IGBT 模塊的影響，選用厚度為50 μm、導(dǎo)熱系數(shù)為橫向1 700 W/(m·K)、縱向10 W/(m·K)的石墨烯薄膜。

仿真在理想情況下進(jìn)行，即不考慮焊料層中空洞的存在，且選用上文中各層材料厚度已調(diào)至最佳的模型。 共有4 組仿真對(duì)比，分別是不放置石墨烯薄膜、在芯片上部放置石墨烯薄膜、在DBC 上銅層放置石墨烯薄膜及在DBC 陶瓷層放置石墨烯薄膜，如圖7 所示。 仿真結(jié)果由表3 可知，就改善效果而言，石墨烯薄膜放在芯片上的效果最好，DBC 上銅層的效果次之，DBC 陶瓷層的效果最差。

圖7 石墨烯薄膜的四種放置方式

表3 四種放置方式的最高結(jié)溫與最大熱應(yīng)力

綜上所述，在本文的模型中芯片及DBC 上銅層放置石墨烯薄膜能最大程度降低結(jié)溫，同時(shí)能緩解焊料層中的熱應(yīng)力，其中結(jié)溫降至132.5 ℃，熱應(yīng)力降至97 MPa，模型的熱仿真結(jié)果得到優(yōu)化，如圖8所示。 相比于未優(yōu)化之前的模塊(圖2)最高結(jié)溫可降低近3 ℃，最大熱應(yīng)力下降超過(guò)30 MPa。 最高結(jié)溫和最大熱應(yīng)力的降低代表了IGBT 模塊工作在同樣的功率條件下，芯片以及封裝材料所承受的熱沖擊影響得以改善，即在同等熱流密度下，模塊熱可靠性得以提高。

改變模塊中的熱耗散功率，對(duì)比優(yōu)化前后IGBT混合模塊中結(jié)溫及熱應(yīng)力的變化，仿真結(jié)果如圖9所示。 隨著熱耗散功率增大，模塊的最高結(jié)溫及最大熱應(yīng)力隨之增大，優(yōu)化后的IGBT 混合模塊性能的改善效果更加明顯。

圖8 石墨烯基薄膜應(yīng)用于芯片表面的情況下IGBT 混合模塊的熱仿真結(jié)果

圖9 優(yōu)化前后模塊的最高結(jié)溫及最大熱應(yīng)力對(duì)比

3 結(jié)論

本文從模塊封裝結(jié)構(gòu)中各層材料厚度、焊料層空洞和石墨烯材料的應(yīng)用三個(gè)方面對(duì)IGBT 混合模塊的封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。 根據(jù)仿真結(jié)果，適當(dāng)增加芯片、焊料層以及DBC 上銅層的厚度可略微提高模塊可靠性；焊料層中空洞半徑越小，空洞間聚集程度越低，空洞距離芯片垂直方向的中心位置越遠(yuǎn)，模塊的可靠性越高。 石墨烯薄膜的使用可降低模塊最高溫度，減小焊料層中最大熱應(yīng)力，其中放置的最佳位置為芯片上表面。 IGBT 混合模塊的熱耗散功率越大，優(yōu)化設(shè)計(jì)的封裝結(jié)構(gòu)對(duì)模塊可靠性的改善越明顯。 本文的仿真研究工作為解決實(shí)際模塊中結(jié)溫過(guò)高、熱應(yīng)力過(guò)大引發(fā)模塊失效的問(wèn)題，以及提高電子元件的可靠性提供了新的方法和思路。