基于有限元仿真的IGBT 混合模塊的可靠性分析*

劉 巖，張運杰，鮑 婕*，徐文藝，方 明，朱計生

(1.黃山學院機電工程學院，安徽 黃山245041；2.智能微系統安徽省工程技術研究中心，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，應用領域不斷拓寬，并憑借容量大、驅動功率小及開關速度快等優勢廣泛應用于工業、國防軍工等傳統產業領域，以及新能源、智能電網等戰略性新興產業領域，同時也對模塊可靠性提出了更高的要求[1-2]。 采用硅基IGBT 與SiC 基續流二極管組成的混合模塊，有助于實現裝置的輕量化、小型化、高效化及節能化[3]，并廣泛應用在軌道交通、安防等眾多領域[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的提高，器件芯片處的結溫也隨之升高，而散熱不及時會造成模塊過熱失效，同時，因結溫波動而產生的熱應力也是造成其失效的重要因素[5-6]。 熱應力的產生是由于各層間材料不同，造成層與層之間的熱膨脹系數(CTE)不能較好地匹配。 IGBT 功率模塊運行產生焦耳熱，會引發溫度波動進而造成模塊內部產生循環熱應力，其中在焊料層處作用效果最明顯。 熱應力的影響可造成焊料處出現裂紋，并進一步影響模塊散熱，即可導致高溫區域集中[7-9]。因此，研究IGBT 混合模塊的結溫和熱應力情況并分析焊料層中空洞的影響，對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sp2雜化方式形成，其獨特的平面六元環結構為石墨烯帶來了優異的熱傳導性質[10]，再加上石墨烯薄膜密度低、熱膨脹系數小、電子遷移率高以及化學穩定性好等優點，使其成為新一代最具潛力的高導熱材料，尤其在電子元器件等領域具有廣泛應用[11]。 本文將高導熱石墨烯材料應用于IGBT 混合模塊的封裝結構中，發揮其面內熱導率高的優勢，將局部熱點的熱量橫向傳開，改變整個封裝結構的熱傳導路徑，從而降低模塊結溫，改善熱應力帶來的失效問題，提升模塊的可靠性[12-15]。

1 IGBT 混合模塊的封裝結構

本文的基礎模型是參考硅基IGBT 模塊的封裝結構，延伸出的由硅基IGBT 與SiC 基JBS 芯片組成的混合模塊，與傳統IGBT 模塊相比，SiC 的存在將會使混合模塊具備更高耐高溫性、耐壓性并降低反向電流、提高關斷電壓以及反向恢復速度，提高器件的轉換效率[16-17]。 實驗證明，1 700 V/1 600 A 傳統的IGBT 模塊的反向恢復損耗為400 mJ，開關能量損耗為3.42 J，而加入了SiC 的IGBT 混合模塊的反向恢復損耗降至19 mJ，開關能量損耗降至2.56 J，驗證了IGBT 混合模塊具備更優異的性能[18]。

模型的封裝結構是由芯片、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建IGBT 混合模塊的物理模型，如圖1 所示，并為各層附上相應的材料，結構尺寸和材料參數見表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 單位:mm

表2 IGBT 混合模塊的材料參數

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的高熱流密度的影響，因此研究其最高結溫以及最大熱應力可以反映功率模塊的可靠性對外界溫度變化的抵抗能力，是極為重要的可靠性標準。 在進行仿真計算時，將IGBT 和JBS 的芯片均設為體熱源，對IGBT 芯片加載80 W 的功率，對JBS 芯片加載20 W 的功率，熱通量設為常溫常壓下的外部強制對流，空氣流速設置為5 m/s。 仿真結果如圖2 所示。

2.1 各層材料厚度對模型可靠性的影響

模型中，結溫最高處位于IGBT 芯片，溫度為135.2 ℃；熱應力最大處位于IGBT 焊料層與DBC 上銅層貼合處，應力為128 MPa。 自上而下依次調整芯片、焊料層、DBC 上銅層、DBC 陶瓷層、DBC 下銅層及下焊料層的厚度。 得到結溫變化情況如圖3 所示。 增加芯片的厚度，模型中結溫先降低后上升，當芯片厚度為0.4 mm 時，結溫最低，但總體變化幅度較??；增加焊料的厚度，結溫線性上升，當焊料厚度為0.1 mm 時，結溫最低；增加DBC 上銅層的厚度，結溫線性下降；增加DBC 陶瓷層的厚度，結溫線性上升，當陶瓷層厚度為0.3 mm 時，結溫最低為128 ℃；增加DBC 下銅層的厚度，結溫線性下降；增加基板焊料層的厚度，結溫線性上升，當厚度為0.05 mm 時，結溫最低。

熱應力變化情況如圖4 所示，增加芯片、焊料、DBC 上銅層的厚度，模型中熱應力先下降后趨于平穩，當芯片厚度達到0.6 mm 時，熱應力穩定在121 MPa；當焊料厚度達到0.7 mm 時，應力穩定在80 MPa；當DBC 上銅層的厚度達到0.4 mm 時，熱應力穩定在105 MPa ～125 MPa 之間；增加DBC 陶瓷層與DBC 下銅層的厚度，熱應力線性上升；增加基板焊料層的厚度，熱應力對數上升，當焊料厚度為0.05 mm 時，熱應力最小為111 MPa。

圖2 IGBT 混合模塊的仿真結果

圖3 模型各層厚度與結溫的關系

圖4 模型各層厚度與熱應力的關系

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成本問題，因此在遵循實際工藝參數可調范圍的前提下，將IGBT 與JBS 芯片厚度從0.1 mm 調整至0.2 mm，兩個芯片下部焊料厚度從0.1 mm 調整至0.15 mm，DBC 上銅層的厚度從0.3 mm 調整至0.4 mm。 調整后模型最高溫度與最大熱應力所處的位置未發生改變，結溫從135.2 ℃降至134.7 ℃，最大熱應力從128 MPa 降至108 MPa，模塊可靠性通過優化各層材料厚度可以得到略微改善。

2.2 焊料層空洞對模型可靠性的影響

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

式中:ΔT 為溫度梯度；Q 為傳導的熱流量；λ 為導熱系數；A 為垂直于熱流的截面積，選取溫度增大方向為正。 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轉變且步進為0.1 mm 的圓柱體。 傳導的熱流量Q恒定，隨著空洞半徑的增大，熱量通過的給定截面面積減小，芯片的溫度梯度變大，模塊中的結溫升高。出現空洞后，模型中應力最大位置從焊料邊緣處轉移至空洞邊緣，且隨著空洞增大，應力基本呈線性增長。

圖5 結溫及熱應力隨單個空洞半徑的變化關系

如圖5 所示，在無空洞時模型結溫及熱應力均處于較低水平，結溫為135 ℃，熱應力為128 MPa；當空洞半徑增加到0.5 mm 時，結溫升高至140 ℃，熱應力升高至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 混合模塊運行過程中并不是一成不變的，在工作過程中受模塊溫度變化而產生的熱應力會使得空洞進一步擴大，長期的循環工作甚至會造成相鄰小空洞復合形成大空洞的情況。

本文模擬了隨著多個小空洞逐漸變大，進而連成片形成大空洞的過程。 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，隨著空洞的增大，模型結溫與熱應力隨之增大，其中結溫增長較緩慢。 當空洞半徑達到0.25 mm 時，模型中相鄰的球體結構出現交叉，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，結溫增長較快，熱應力得到緩解，呈現下降趨勢，但熱應力的數值仍處于較高水平，仿真計算結果如圖6 所示。 相比于小空洞，連成片后形成大空洞對模塊造成的影響更大，即在實際應用中應避免大空洞的產生。

圖6 結溫及熱應力隨多個空洞半徑的變化關系

本文選取3 種具有代表性的空洞位置進行比較，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，模塊的結溫與熱應力就越大，最高結溫為136 ℃，最大熱應力為299 MPa。 而當空洞位于邊角位置時，結溫降至135 ℃，熱應力降至172 MPa。 即在實際應用中，控制出現在焊料層中芯片垂直方向的中心位置的空洞數量，將會極大地提高模型可靠性。

2.3 石墨烯薄膜對模型可靠性的影響

近年來，隨著電子信息技術與科技向高度集成化的發展，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性能受到越來越來的關注，在理想情況下，單層石墨烯的導熱系數甚至高達5 300 W/(m·K)[21-24]。 石墨烯薄膜憑借其優良的導熱性能，被認為是一種非常有前途的散熱材料。為研究熱耗散及熱應力對IGBT 模塊的影響，選用厚度為50 μm、導熱系數為橫向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至最佳的模型。 共有4 組仿真對比，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溫與最大熱應力

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溫，同時能緩解焊料層中的熱應力，其中結溫降至132.5 ℃，熱應力降至97 MPa，模型的熱仿真結果得到優化，如圖8所示。 相比于未優化之前的模塊(圖2)最高結溫可降低近3 ℃，最大熱應力下降超過30 MPa。 最高結溫和最大熱應力的降低代表了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，對比優化前后IGBT混合模塊中結溫及熱應力的變化，仿真結果如圖9所示。 隨著熱耗散功率增大，模塊的最高結溫及最大熱應力隨之增大，優化后的IGBT 混合模塊性能的改善效果更加明顯。

圖8 石墨烯基薄膜應用于芯片表面的情況下IGBT 混合模塊的熱仿真結果

圖9 優化前后模塊的最高結溫及最大熱應力對比

3 結論

本文從模塊封裝結構中各層材料厚度、焊料層空洞和石墨烯材料的應用三個方面對IGBT 混合模塊的封裝結構進行優化。 根據仿真結果，適當增加芯片、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，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，優化設計的封裝結構對模塊可靠性的改善越明顯。 本文的仿真研究工作為解決實際模塊中結溫過高、熱應力過大引發模塊失效的問題，以及提高電子元件的可靠性提供了新的方法和思路。