焊料層形變對IGBT熱阻影響的研究

王艷豐，張小玲，佘爍杰，田蘊杰

（北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京 100124）

焊料層形變對IGBT熱阻影響的研究

王艷豐，張小玲，佘爍杰，田蘊杰

（北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京 100124）

構(gòu)建簡化的IGBT三維模型及焊料層二維模型，分析焊料層受熱應(yīng)力產(chǎn)生的塑性形變對器件熱阻的影響。彈塑性仿真分析表明，焊料層的塑性形變導(dǎo)致細小裂紋的出現(xiàn)，這些細小的裂紋在周期性的熱應(yīng)力的作用下逐漸地變大，最終形成比較明顯的空洞，從而使得器件的熱阻變大。

絕緣柵雙極晶體管；塑性形變；斷裂分析；空洞

0 引言

絕緣柵雙極晶體管 （IGBT：Insulate Gate Bipolar Transistor）是由雙極晶體管 （BJT：Bipolar Junction Transistor）和絕緣柵型場效應(yīng)管 （MOS：Metal-Oxide Semiconductor）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件。IGBT既具有BJT的載流密度大、飽和壓降低等優(yōu)點，又具有MOSFET的輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動電路簡單以及開關(guān)速度高等優(yōu)點。正因為如此，IGBT已作為高速和高壓開關(guān)而被廣泛地應(yīng)用在了電力電子領(lǐng)域。但是，IGBT工作時的功率較大，這會使得器件的溫度較高，而高溫又會導(dǎo)致器件的可靠性降低甚至失效。因此，對IGBT進行熱分析就顯得十分必要。張健等人已經(jīng)研究了IGBT焊料層中的空洞對器件的熱可靠性的影響，證實了焊料層中的空洞會增大器件的熱阻。這些空洞是由于不同物體之間的熱膨脹系數(shù) （CTE）的不同而形成的。本文通過Ansys軟件仿真來研究焊料層形變對IGBT熱阻的影響，以期為設(shè)計和工藝工程師選擇焊料的材質(zhì)提供依據(jù)。

1 構(gòu)建三維模型和熱-力耦合仿真

1.1 三維模型

本文以TO-220AB封裝的IRGB4045DPbFIGBT模塊為原型，進行模型構(gòu)建。在實際工作中，IGBT器件的熱傳遞方式比較復(fù)雜，通常包括內(nèi)部熱傳導(dǎo)、器件表面與空氣之間的熱對流和熱源的輻射換熱三種。由于半導(dǎo)體芯片的工作溫度一般小于423 K，所以仿真時可以只考慮器件內(nèi)部的熱傳導(dǎo)。另外，考慮到大功率帶散熱器的熱量傳導(dǎo)的路徑是從Si芯片向下傳導(dǎo)的，所以構(gòu)建模型時只考慮Si芯片層、焊料層和熱沉[1]。

圖1 IRGB4045DPbF三維正面、背面和剖面圖

三維模型的尺寸和材料數(shù)據(jù)如表1所示。

表1模型的尺寸和材料

1.2 熱—力耦合仿真

仿真時對IGBT的工作條件做了如下理想的假設(shè)：1）硅芯片上的溫度分布均勻；2）考慮到彈塑性仿真時，焊料層63Sn37Pb的應(yīng)力應(yīng)變曲線是在353 K時測得的。由于通過熱仿真器件各層間的溫度差為17.1℃，因此仿真過程中將熱沉下的表面溫度設(shè)成恒定的337 K，則焊料層的溫度就接近于353 K，這樣仿真的結(jié)果就會更接近實際情況。IGBT工作功率為77W，則加載到Si芯片上的生熱比HG=P/V=2.9e10W/m3。

表3仿真時材料的屬性

Ansys的熱—力耦合仿真結(jié)果如圖2所示。圖2a表明焊料層和Si接觸一側(cè)的最大熱應(yīng)力為11.5 MPa，最大應(yīng)力面積約為90%，且處于中心位置；圖2b表明焊料層和熱沉接觸一側(cè)的最大熱應(yīng)力為7.91 MPa，最大應(yīng)力面積約為30%，且處于中心位置。

a焊料層和Si接觸面應(yīng)力分布圖

圖2 Ansys熱-力耦合仿真結(jié)果

2 焊料層形變對IGBT的熱阻的影響

2.1 彈塑性仿真

彈塑性是指物體在外力作用下產(chǎn)生不可恢復(fù)的形變的性能。如果材料沒有明確的屈服應(yīng)力，則認為當(dāng)材料的形變量是材料原長度的0.2%時材料所受到的應(yīng)力為材料的屈服應(yīng)力。正常工作時，IGBT處于周期性地開通和關(guān)斷的狀態(tài)，因而焊料層的溫度也會發(fā)生周期性的變化。由于器件各層的CTE不同，焊料層將產(chǎn)生周期性的熱應(yīng)力，當(dāng)這個熱應(yīng)力足夠大時，焊料層就會產(chǎn)生不可逆的塑性變形。

圖3是張莉等人在 “Anand模型預(yù)測63Sn37Pb焊錫釬料的應(yīng)力應(yīng)變行為”[2]研究中測得的63Sn37Pb焊錫釬料在0.001%/s時的應(yīng)力應(yīng)變曲線，在圖中取4點，以便于進行仿真時使用，即： （0.2， 5.24）、 （2， 6）、 （4， 5.86）、（6，5.67）。

圖3 63Sn37Pb在0.001%/S、353 K時的應(yīng)力應(yīng)變曲線

為了簡化仿真過程，構(gòu)建了焊料層的二維模型，如圖4a所示。圖4b為仿真時添加的熱應(yīng)力隨時間變化的曲線圖。圖5為point 1對應(yīng)的、在Y方向的位移量隨時間變化的曲線圖。

由圖5可知，在應(yīng)力恢復(fù)到零的2～3 s內(nèi)，point 1在Y方向的位移沒有恢復(fù)到零，而是停留在1E-7 m處，即此處發(fā)生彈塑性形變。固體的原子可視為相互接觸的球體，Sn原子的半徑為145 pm，Pb原子的半徑為180 pm，均遠遠小于塑性形變量[3]。因此，焊料層在周期性的熱應(yīng)力作用下，出現(xiàn)了局部區(qū)域密度降低及局部松動的現(xiàn)象。在實際的工作中，這些區(qū)域非常有可能會誘發(fā)焊料層產(chǎn)生細小的裂紋。

圖4 焊料層的二維模型及其熱應(yīng)力曲線圖

圖5 應(yīng)力作用下point1在Y方向的位移

2.2 斷裂分析

空洞在剛形成時，可能僅僅是一條微米級的裂紋，在周期性的熱應(yīng)力的作用下，這些裂紋會不斷地擴大，裂紋和裂紋之間相互合并，最終便形成了大規(guī)模的空洞[4]。斷裂性分析是利用傳真技術(shù)來證明焊料層空洞從產(chǎn)生到擴大的變化過程的。

圖6 a為含裂縫的焊料層的二維模型，L33固定，L37加+Y方向的應(yīng)力，小矩形中間的橫線為裂紋。[5]

從仿真的結(jié)果可知，裂紋在外力的作用下確實是擴大了，從而驗證了在熱應(yīng)力的作用下，焊料層的確會產(chǎn)生裂紋，并且產(chǎn)生的裂紋會不斷地擴大，仿真后的裂紋擴大圖如圖6 b所示。空洞形成后器件的熱阻會大幅度地升高，從而使器件的可靠性降低。

圖6 含裂縫的爆料層二維模型及其裂紋擴大圖

3 實測結(jié)果

圖7為某型號IGBT進行高低溫循環(huán)實驗時得到的超聲波掃描顯微鏡照片[6]。

從圖7可以看出，經(jīng)過周期性熱應(yīng)力的作用，焊層出現(xiàn)了大量的空洞，這和上面的仿真結(jié)果相吻合。實測結(jié)果還表明，裂紋大部分是從Cu熱沉和焊料層的接觸面處形成的，這是因為Cu熱沉的CTE比Si的CTE大，也就是說，Cu熱沉阻擋焊料層發(fā)生形變的能力比Si芯片層阻擋焊料層發(fā)生形變的能力弱，因此Cu熱沉和焊料層的接觸面更容易形成彈塑性形變，也就更容易形成裂紋。董少華在研究IGBT器件的熱可靠性的過程中通過結(jié)構(gòu)函數(shù)證明了器件在循環(huán)實驗中焊料層空洞對熱阻的影響很大。

圖7 超聲波掃描顯微鏡照片

4 結(jié)束語

通過仿真和實測的對比分析可得，IGBT焊料層形成空洞的內(nèi)在原因是因為各層材料之間的CTE不同，從而使得焊料層產(chǎn)生了熱應(yīng)力，在熱應(yīng)力的作用下焊料層產(chǎn)生彈塑性變形，進而導(dǎo)致了焊料層密度分布不均，局部開始松動，形成裂紋。在周期性的熱應(yīng)力的作用下，裂縫又會不斷地擴大，最終形成比較明顯的空洞，導(dǎo)致器件熱阻升高。

[1]董少華，張興華，朱陽軍.IGBT器件熱可靠性的研究[D].山東：山東大學(xué)，2014.

[2]張莉，陳旭，NOSE H，等.Anand模型預(yù)測63Sn37Pb焊錫釬料的應(yīng)力應(yīng)變行為 [J].研究簡報，2003，26（4）：447-450.

[3]陳娜，秦飛.無鉛焊錫材料動態(tài)學(xué)性能研究 [D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2008.

[4]徐云燕，呂曉飛，鄭利兵，等.IGBT模塊封裝工藝的研究 [J].智能電網(wǎng)，2014，2（1）：44-47.

[5]田蘊杰，張小玲，謝雪松，等.IGBT熱疲勞工作對焊料層可靠性的影響 [J].固體電子學(xué)研究與進展，2014，34（3）：288-292.

[6]張健，張小玲，呂長志，等.IGBT焊料層中的空洞對器件熱可靠性的影響 [J].固體電子學(xué)研究與進展，2011，31（5）：517-521.

Study on the Influence of the Deformation of Solder Layer on the Resistance of IGBT

WANG Yan-feng，ZHANG Xiao-ling，SHE Shuo-jie，TIAN Yun-jie
（College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

A simplified three-dim ensionalm odel of IGBT and a two-dimensionalmodel of solder layer are constructed，and the influence of plastic deformation of solder layer caused by thermal stress on the resistance of component is analyzed.The elastic plastic simulation analysis shows that the plastic deformation of the solder layer will lead to the emergence of small cracks.And under the influence of the periodic thermal stress，these tiny cracks will gradually become larger and larger and form obvious hollow in the end，which willmake the resistance of componentbecome larger.

IGBT；plastic deformation；fracture analysis；hollow

TN 386.2；TN 322+.8；TP 391.97

：A

：1672-5468（2015）05-0020-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2015.05.005

2015-05-11

2015-09-17

王艷豐 （1991-），男，河南焦作人，北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院學(xué)生，研究方向為半導(dǎo)體器件熱可靠性。