IGBT 模塊熱應(yīng)力下的分層失效分析

劉江文,楊道國

(桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣西 桂林 541004)

隨著電子技術(shù)在近幾年的快速發(fā)展,大功率器件和集成電路的應(yīng)用越來越廣泛。功率半導(dǎo)體器件廣泛應(yīng)用于電力電子行業(yè)中,尤其是高功率設(shè)備。其中IGBT 功率模塊是電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)元器件之一,在電子化產(chǎn)業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色[1]。絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是由雙極型晶體管(BJT)和絕緣柵型場效應(yīng)管(MOS)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件,IGBT 具備MOSFET 高輸入阻抗和GTR 低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn),是MOSFET 和雙極晶體管的成功組合[2]。IGBT 功率模塊作為電力系統(tǒng)的核心部件,其性能和可靠性對應(yīng)用系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用[3]。

國內(nèi)外研究表明,熱疲勞是導(dǎo)致IGBT 模塊封裝失效的最主要因素[3-5]。這是由IGBT 模塊特殊的多層結(jié)構(gòu)和各層材料之間的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的,當(dāng)溫度發(fā)生變化的時(shí)候,IGBT 模塊中各層材料會(huì)反復(fù)受熱膨脹和冷卻收縮,由于各層材料之間的熱膨脹系數(shù)不匹配,這種熱失配會(huì)使得IGBT 模塊經(jīng)受熱應(yīng)力的反復(fù)作用,熱應(yīng)力的反復(fù)作用會(huì)引起材料和結(jié)構(gòu)損傷,造成永久失效[6]。疲勞失效主要包括焊層疲勞失效,而焊層常見的疲勞形式有空洞、裂紋等。Huang 等[7]指出了焊料層和接觸材料出現(xiàn)結(jié)溫差時(shí)產(chǎn)生剪切應(yīng)力,可知CTE(熱膨脹系數(shù))、結(jié)溫差是影響焊料層剪切應(yīng)力的關(guān)鍵因素;肖飛等[8]通過有限元仿真研究焊料層不同位置空洞對IGBT 模塊結(jié)溫和熱-機(jī)械應(yīng)力的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)空洞位置在邊角位置時(shí)對模塊的可靠性影響最大。孫海峰等[9]研究了空洞大小對IGBT 模塊結(jié)溫的影響,發(fā)現(xiàn)焊料層空洞率與結(jié)溫成正相關(guān)關(guān)系。

鑒于此,本文以IGBT 模塊為研究對象,利用ANSYS 有限元數(shù)值分析軟件對IGBT 模塊進(jìn)行建模分析,模型包括塑封料環(huán)氧樹脂、IGBT 芯片和續(xù)流二極管芯片(Freewheel Diode,FWD)、納米銀焊層、DBC基板上銅層、氮化鋁陶瓷層DBC 基板下銅層,忽略了引線鍵合的建模影響[10]。分析IGBT 模塊在溫度循環(huán)過程中所受到的熱應(yīng)力和因熱應(yīng)力而產(chǎn)生的總體形變,比較了不同熱載荷條件下IGBT 模塊熱應(yīng)力、總形變的區(qū)別,然后設(shè)置預(yù)制裂紋,對比相同熱載荷條件下,焊層裂紋對模塊所受應(yīng)力的影響,得到裂紋區(qū)域應(yīng)力和形變與溫度載荷之間的關(guān)系,這對IGBT 模塊的可靠性研究有著重要意義。

1 IGBT 模塊建模和有限元分析

1.1 IGBT 幾何建模

本文研究的IGBT 模塊的封裝結(jié)構(gòu)圖如圖1(a)所示,隱藏環(huán)氧樹脂塑封料后的IGBT 模塊三維圖如圖1(b)所示。該模塊主要包括兩個(gè)IGBT 芯片和兩個(gè)FWD 芯片,用引線鍵合的方式實(shí)現(xiàn)封裝的微型化和芯片間的信號(hào)的快速傳輸,通過納米銀焊層把IGBT 芯片和DBC 基板相連接,最后再用塑封料環(huán)氧樹脂進(jìn)行塑封。建模時(shí)忽略了鍵合線的影響,封裝組件各部分的尺寸如表1 所示。

圖1 IGBT 模塊示意圖Fig.1 Schematic diagram of IGBT module

表1 模型尺寸Tab.1 Model dimensions

1.2 各材料屬性設(shè)置

查閱文獻(xiàn)資料[11-13]確定IGBT 模塊的各部件的材料參數(shù)數(shù)值,具體數(shù)值如表2 所示。

表2 IGBT 模塊中材料的性能Tab.2 Material performances of IGBT module

1.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分程度選擇fine,Relevance 設(shè)置為100。手動(dòng)設(shè)置IGBT 芯片、FWD 芯片,納米銀焊層的網(wǎng)格層數(shù)為6 層,DBC 上下兩銅層和中間的氮化鋁陶瓷層均設(shè)置為4 層,隱藏環(huán)氧樹脂塑封體后的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2 所示。

圖2 IGBT 模塊有限元網(wǎng)格模型Fig.2 Finite element mesh model of IGBT module

1.4 加載與邊界條件

邊界條件設(shè)置:將DBC 基板底面最接近塑封體的一個(gè)端點(diǎn)作為整個(gè)模型變形的參考原點(diǎn),即在DBC 基板底面該端點(diǎn)處施加x和y向零位移約束。

對IGBT 模塊施加溫度循環(huán)載荷:按照美國軍用標(biāo)準(zhǔn)ML-SID-883[14],設(shè)定22 ℃為零應(yīng)力應(yīng)變的初始狀態(tài),溫度循環(huán)區(qū)間為-55～125 ℃,低溫保溫時(shí)間為15 min,高溫保溫時(shí)間為10 min,從低溫到高溫和從高溫到低溫的溫變速率都為12 ℃/min,一個(gè)溫度循環(huán)周期是55 min,一共5 個(gè)循環(huán)周期,總的溫度循環(huán)時(shí)間是

275 min,溫度循環(huán)采用的溫度曲線如圖3 所示。

圖3 溫度循環(huán)曲線Fig.3 Curve of the temperature cycle

2 仿真結(jié)果和分析

為了便于觀察,文中的仿真結(jié)果圖里都隱藏了塑封料環(huán)氧樹脂,并且圖示結(jié)果都是在IGBT 模型進(jìn)入第4 個(gè)溫度循環(huán)時(shí)的低溫(-55 ℃)和高溫(125 ℃)結(jié)束時(shí)刻取得。溫度循環(huán)中IGBT 模塊的總變形圖如圖4 所示。觀察形變圖(圖4(a)和(b))可知,在溫度循環(huán)的過程中,IGBT 模塊隨著溫度的變化發(fā)生形變。當(dāng)處在低溫的時(shí)候,IGBT 模塊整體向下凹,此時(shí)IGBT 模塊的最大形變量達(dá)到0.030488 mm;當(dāng)處在高溫的時(shí)候,IGBT 模塊整體向上凸,IGBT 模塊的最大形變量達(dá)到0.040784 mm。

圖4 低溫和高溫時(shí)IGBT 模塊的總變形圖Fig.4 Total deformation nephograms of IGBT module at low and high temperatures

圖5 為低溫和高溫時(shí)IGBT 模塊的應(yīng)力云圖。由圖5(a)所示應(yīng)力云圖可知,在低溫的時(shí)候,熱應(yīng)力的最大值存在于芯片和環(huán)氧樹脂相接觸的四個(gè)邊角、芯片和納米銀焊層相接觸的四個(gè)邊角,應(yīng)力值達(dá)到205 MPa;觀察圖5(b)應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn),在高溫的時(shí)候,熱應(yīng)力的最大值也存在于芯片和環(huán)氧樹脂相接觸的四個(gè)邊角、芯片和納米銀焊層相接觸的四個(gè)邊角,應(yīng)力值達(dá)到265 MPa。所以綜上可知不管是在低溫狀態(tài)還是在高溫狀態(tài)下,IGBT 模塊的最大應(yīng)力值都在同一位置,區(qū)別只是應(yīng)力值大小不同,這是因?yàn)椴煌臏囟纫鸬臒釕?yīng)力變化是不一樣的。而在IGBT 實(shí)際的工作過程中,芯片和焊層相接觸的四個(gè)邊角處確實(shí)更容易在循環(huán)熱負(fù)載下開裂,嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

圖5 低溫和高溫時(shí)IGBT 模塊的應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephograms of IGBT module at low and high temperatures

3 焊層裂紋對仿真結(jié)果的影響

3.1 預(yù)制焊層裂紋

芯片和焊層相接觸的四個(gè)邊角處在熱循環(huán)的負(fù)載下非常容易開裂產(chǎn)生裂紋,因此針對裂紋對IGBT 的影響進(jìn)行深入研究。在納米銀焊層邊角處設(shè)置初始裂紋,裂紋處的網(wǎng)格劃分如圖6 所示。設(shè)置裂紋的長度為0.05 mm,裂紋的深度為0.01 mm。

圖6 納米銀焊層裂紋有限元模型Fig.6 Finite element mesh model of nano silver solder layer crack

針對納米銀焊層有裂紋缺陷的IGBT 模塊進(jìn)行與上文溫度載荷相同的溫度循環(huán)仿真,取IGBT 模型進(jìn)入第4 個(gè)溫度循環(huán)時(shí)的低溫(-55 ℃)和高溫(125 ℃)結(jié)束時(shí)刻為觀察時(shí)刻,分別得到低溫和高溫兩個(gè)不同溫度時(shí)刻的納米銀焊層處的裂紋仿真應(yīng)力云圖如圖7 所示。

3.2 仿真結(jié)果分析與討論

觀察圖7(a)和(b)低溫和高溫狀態(tài)下的兩組應(yīng)力云圖可知,納米銀焊層有裂紋缺陷的時(shí)候,裂紋尖角處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。在低溫條件下,裂紋尖端應(yīng)力值達(dá)到41.074 MPa,而裂紋周圍的應(yīng)力值為24.044 MPa;在高溫條件下,裂紋尖端應(yīng)力值達(dá)到54.82 MPa,而裂紋周圍應(yīng)力值為31.97 MPa。為進(jìn)一步研究溫度對裂紋處應(yīng)力的影響,根據(jù)溫度循環(huán)曲線,選取第4 個(gè)溫度循環(huán)周期-55～125 ℃中的10 個(gè)溫度結(jié)點(diǎn),這十個(gè)溫度結(jié)點(diǎn)分別為-55,-35,-15,5,25,45,65,85,105,125 ℃,仿真得出每個(gè)溫度下裂紋尖角處的最大形變量和最大等效應(yīng)力值并繪制成曲線,如圖8 所示。由圖8(a)和(b)可知裂紋尖端的最大等效應(yīng)力和最大形變量隨溫度的變化趨勢。當(dāng)溫度小于22 ℃的時(shí)候,隨著溫度的增加,裂紋尖端的最大等效應(yīng)力和最大形變量都逐漸減小;當(dāng)溫度達(dá)到22 ℃的時(shí)候,最大等效應(yīng)力和最大形變量都達(dá)到最小值;當(dāng)溫度大于22 ℃時(shí),隨著溫度的增加,裂紋尖端的最大等效應(yīng)力和最大形變量都逐漸增大。

圖7 低溫和高溫時(shí)納米銀焊層裂紋處的應(yīng)力云圖Fig.7 Stress nephograms of nano silver solder layer crack at low and high temperatures

圖8 裂紋最大等效應(yīng)力和最大形變量隨溫度變化圖Fig.8 The maximum deformation and the maximum equivalent stress of crack versus temperature

查閱資料可知對于單一材料,J積分參數(shù)可以作為研究裂紋擴(kuò)展的依據(jù)[15]。所以計(jì)算出這十個(gè)溫度點(diǎn)中每個(gè)溫度點(diǎn)相對應(yīng)的J積分值并繪制成曲線。圖9 是裂紋尖端處最大J積分值隨著溫度變化的曲線圖,從圖中可以看到,裂紋尖端的J積分值和溫度是非線性關(guān)系。當(dāng)溫度小于22 ℃時(shí),隨著溫度的增加,J積分逐漸減小;當(dāng)溫度達(dá)到22 ℃時(shí),J積分的值為0,此時(shí)達(dá)到最低值;當(dāng)溫度大于22 ℃時(shí),隨著溫度的增加,J積分逐漸增大,當(dāng)溫度達(dá)到125 ℃,J積分達(dá)到最大。這說明裂紋在低溫或者高溫的這種極端條件下最容易擴(kuò)展。

圖9 J 積分隨溫度的變化圖Fig.9 The curve of J integral versus temperature

4 結(jié)論

針對IGBT 模塊建立了有限元三維模型,利用有限元分析方法,首先仿真了溫度循環(huán)條件對IGBT 模塊的應(yīng)力和形變的影響,發(fā)現(xiàn)在溫度循環(huán)的過程中IGBT 芯片和納米銀焊層相接觸的四個(gè)邊角處出現(xiàn)熱應(yīng)力集中現(xiàn)象,這與國內(nèi)外的研究結(jié)果相符合;然后探討了焊層裂紋缺陷對IGBT 應(yīng)力和形變的影響以及裂紋尖端應(yīng)力、形變量和J積分與溫度之間關(guān)系。結(jié)果表明,在溫度循環(huán)的過程中,納米銀焊層的裂紋尖端出現(xiàn)應(yīng)力集中,在溫度從低溫增加到高溫的過程中,裂紋的最大應(yīng)力值從低溫時(shí)的41.074 MPa 先減小到室溫時(shí)的1.594 MPa,再增加到高溫時(shí)的54.82 MPa;最大形變量從低溫時(shí)的0.0197 mm 先減小到室溫時(shí)的0.0074 mm,再增加到高溫時(shí)的0.0273 mm;J積分值從低溫時(shí)的4.427×10-7J·mm-2先減小到室溫時(shí)的0,再增加到高溫時(shí)的7.922×10-7J·mm-2。可見在極端低溫或者高溫條件下器件的分層區(qū)域最容易擴(kuò)展。

通過以上研究發(fā)現(xiàn)溫度對分層的擴(kuò)展影響很大,如果器件長時(shí)間在溫度變化太大的環(huán)境下工作,器件內(nèi)部存在的裂紋極有可能發(fā)生擴(kuò)展,從而發(fā)生分層現(xiàn)象,器件長期工作也容易受到疲勞破壞,因此控制好器件工作的溫度和時(shí)間對提高器件的壽命具有重要意義。