IGBT 模塊PIN 針失效風險改善研究

程胭脂，林川川，李啟國，陳 琛

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

0 引言

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）絕緣柵雙極性晶體管，是由雙極型三極管和絕緣柵型場效應管組成的復合全控型電壓驅(qū)動式功率半導體器件。IGBT作為電動汽車的關鍵元器件之一，價格約占電動汽車電機控制系統(tǒng)成本的40%，是電動汽車上除電池之外成本最高的元件［1]。IGBT主要作用是能量轉(zhuǎn)換，通過脈沖寬度調(diào)制的方式控制IGBT開關，將電池的直流電轉(zhuǎn)換成交流電驅(qū)動電機有序受控運轉(zhuǎn)，IGBT的性能也決定了整車的能源利用效率。近幾年，英飛凌的HPD（Hybrid PACKTM Drive）封裝模塊憑借功率密度高、設計簡單的優(yōu)勢在電動汽車市場迅速被廣泛應用［2]，隨之，各家功率半導體廠商紛紛效仿推出類似封裝IGBT 產(chǎn)品。但是HPD封裝IGBT模塊與驅(qū)動PCB（Printed Circuit Board）裝配后，模塊在應用中存在PIN針斷裂失效風險。針對該風險，目前IGBT生產(chǎn)廠商英飛凌有推薦PCB 開槽方案［3]，但開槽位置影響PCB布線，實際實施效果不佳。另外暫無相關文獻從IGBT應用焊接工藝參數(shù)上優(yōu)化改善從而降低失效風險。

本文主要從優(yōu)化PCB開槽設計和優(yōu)化焊接工藝參數(shù)等兩個方向改善高低溫環(huán)境下PIN針動態(tài)受力情況，降低PIN 針斷裂失效的風險，以進一步提高IGBT 模塊在電動汽車上應用的可靠性。

1 IGBT封裝介紹及失效風險

六合一IGBT在電動汽車的應用上有許多優(yōu)點，包括：一個模塊內(nèi)集成多個IGBT芯片，其參數(shù)一致性很好；模塊內(nèi)部芯片布局合理，寄生參數(shù)較小；模塊的最高電壓等級較高等［4]。HPD封裝IGBT模塊包含U、V、W三個全橋，其與驅(qū)動PCB的連接由8 顆螺絲固定在塑料柱（下稱Dome）和24個PIN針焊接在過孔中，HPD 封裝IGBT 模塊的結構以及IGBT與驅(qū)動PCB裝配結構如圖1所示。

圖1 IGBT與PCB裝配結構

IGBT 與PCB 裝配完成后，在高溫環(huán)境下，Dome膨脹時會推動PCB在Z 方向上移，PCB 相連接的IGBT 的PIN 針受到向上的拉拔力。低溫時PIN 針受到向下壓力，如圖2 所示，Dome膨脹收縮往復運動使PIN針存在動態(tài)拉力，從而導致PIN 針底座與銅層之間焊接層出現(xiàn)疲勞斷裂的風險。改善前經(jīng)過一段時間溫度沖擊失效案例如圖3所示。

圖2 PIN針動態(tài)受力

圖3 失效案例

2 PCB優(yōu)化設計

根據(jù)以上分析，PIN 針底座斷裂根本原因是PIN 針受循環(huán)應力作用，離Dome越近的PIN針冷熱沖擊受到影響越大，即C1和C3的PIN針失效風險最大。

2.1 PCB開槽設計

PCB開槽可切斷PIN針應力傳遞的路徑，減少動態(tài)力傳遞到PIN針上，開槽位置、寬度、數(shù)目對釋放殘余應力均有影響［5]。選擇在螺絲孔附近開圓弧槽、PIN 附近開斜線槽的設計方案，開槽寬度均為1 mm。優(yōu)化后的開槽方案如圖4所示。

圖4 PCB開槽設計

2.2 PIN針受力仿真

在HyperWorks仿真平臺上，對IGBT模塊和PCB實體建模，仿真分析PCB 不開槽方案和幾種不同開槽方案的受力情況。仿真條件如下：（1）假設PCB 與IGBT 均無翹曲、PCB與IGBT焊接良好；（2）不考慮板上走線、過孔、敷銅、器件等細節(jié)；（3）定義室溫25 ℃時，PIN針無應力；（4）設置熱環(huán)境溫度為125 ℃。參數(shù)如表1所示。

表1 仿真材料參數(shù)

根據(jù)實際PCB上電子元器件布局、布線方案及安裝孔裝配位置的條件下，對PCB設計不同的開槽方案，借助熱仿真分析PIN針受力結果分析、改善、選擇最優(yōu)PCB 開槽方案。方案1：在PIN針周邊設計斜槽，較未開槽有較大改善；方案2：挖斜槽基礎上在Dome周圍設計弧形槽的方案，應力值有下降，但C3應力數(shù)值依然較高；方案3：針對C3 的應力，采用特殊的開槽設計，仿真結果表明有明顯效果。各種不同開槽方案的仿真應力如圖5所示。

圖5 熱仿真分析

2.3 仿真結果分析

仿真結果如圖6所示，PCB 開槽方案較未開槽均有所改善，弧形槽的效果明顯優(yōu)于斜槽；針對C3位置處于熱應力最高點，接著圓弧槽末端處加斜槽去掉應力改善明顯。因此，本文提出的圓弧槽加斜槽的方案能夠較大程度改善PIN針的循環(huán)受力情況，保證IGBT模塊與PCB的裝配可靠性。

圖6 PIN針受力仿真結果

3 波峰焊接參數(shù)優(yōu)化

為了保證Dome 在高溫膨脹狀態(tài)下，PIN 針不受力，即IGBT 模塊在高溫環(huán)境下Dome 膨脹時表現(xiàn)為平行裝配，常溫下PCB 本身呈拱形裝配，如圖7 所示。為達到該目的，在焊接的預熱階段使IGBT 的Dome 受熱膨脹，可通過延長預熱時間使實現(xiàn)。

圖7 焊接后IGBT模塊側(cè)視圖

3.1 焊接工藝參數(shù)

選擇性波峰焊接可以根據(jù)焊點不同情況，對焊接工藝參數(shù)進行特殊設置，便于每個焊點質(zhì)量進行精確控制，使每個焊點的焊接效果達到最佳狀態(tài)［6]。焊接工藝參數(shù)如表2所示，由于6個PIN針（E1 ～E6）內(nèi)部與大塊銅片相連，熱容量大，溫度下降快，則焊錫時間加長至4 s，其余PIN針2.5 s。

表2 波峰焊接工藝參數(shù)

3.2 熱電偶布置

為觀測實際選擇性波峰焊接爐內(nèi)溫度，在IGBT 和PCB板上布置熱電偶溫度傳感器，熱電偶分別粘貼在Dome孔內(nèi)，PCB 的Top 面、PCB 的Bottom 面，分別監(jiān)測Dome、PCB溫度。

3.3 爐溫曲線

實際測得爐溫曲線如圖8 所示，由于熱電偶插入Dome深度不同導致有溫差，在焊接前Dome溫度均達到了100 ℃。不同位置的熱電偶溫度不一樣，位于PCB的Top面正對紅外熱源加熱溫度較高但均低于150 ℃，溫度上升斜率小于或等于3 ℃/s，符合預期設想爐溫曲線效果。

圖8 爐溫曲線

3.4 焊接結果

焊接完成后，目視檢測PCB 焊錫完全透過焊盤，X-ray掃描檢測焊點均未見空洞現(xiàn)象。用多倍放大鏡觀察，無錫尖、橋連、氣孔、裂縫等缺陷，根據(jù)IPC-A-610G CN滿足焊接驗收標準［7]。

4 高低溫沖擊試驗

4.1 試驗條件

冷熱沖擊試驗可以驗證PIN 針在Dome 的熱脹冷縮通過PCB帶傳遞的應力作用。另外焊料與焊盤以及形成的金屬化合物之間的熱膨脹系數(shù)不匹配及IMC被氧化是導致冷熱沖擊下焊接位置失效的主要原因，冷熱沖擊疲勞是衡量電子產(chǎn)品性能好壞的重要指標［8]。將IGBT 模塊放置溫箱進行溫度沖擊試驗，試驗條件要求如下：在一個循環(huán)內(nèi)，高溫125 ℃或低溫-40 ℃保持30 min、高低溫之間的轉(zhuǎn)換不超過15 s，進行1000個循環(huán)［9]。

4.2 試驗結果

在冷熱沖擊試驗前、完成1000 次冷熱沖擊循環(huán)后，分別測量帶PCB的IGBT的5個靜態(tài)參數(shù)［10]：（1）測柵極漏電流IGES；（2）柵極和發(fā)射極的閾值電壓VGE（TH）；（3）集電極和發(fā)射極的飽和電壓VCE（sat）；（4）二極管的正向電壓VF；（5）集電極截止電流ICES。測試結果如表3 所示（只列出其中1個IGBT的U相上管的測試結果），IGBT的各參數(shù)均在標準范圍內(nèi)，未發(fā)生失效的情況。

表3 IGBT靜態(tài)測試結果

5 結束語

PCB開槽設計可減小冷熱沖擊Dome 帶來的應力，選擇性波峰焊接個性化參數(shù)配置使得Dome 在受熱膨脹狀態(tài)下焊接PCB，Dome膨脹后PCB正好呈水平狀態(tài)，不施加給IGBT的PIN針向上拉力。經(jīng)過高低溫度沖擊試驗后測試結果均在標準范圍內(nèi)，無PIN針失效，則開槽設計和波峰焊接參數(shù)優(yōu)化均可消除IGBT模塊PIN針失效風險。