考慮焊料空洞損傷的IGBT雙向熱網(wǎng)絡(luò)模型

蔡彥閣，杜明星，姚婉榮

（1.天津理工大學(xué) 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.天津中科華盈科技有限公司，天津 300300）

0 引言

近年來，電力電子裝置在電動汽車、風(fēng)力發(fā)電、航空航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。而功率器件作為電力電子裝置的核心[1]，由于長時(shí)間工作在高溫環(huán)境中，其可靠性受到了一定的制約。因此，提高功率器件的可靠性是決定系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。IGBT 模塊的封裝級失效類型主要有鍵合線失效和焊料層失效，而焊料層失效主要是由于焊料層中出現(xiàn)空洞和裂紋損傷所致。在模塊封裝過程中，當(dāng)空氣中的氣泡嵌入環(huán)氧材料就會在焊料層產(chǎn)生空洞[2]。盡管新的焊料工藝可以有效地限制焊料層空洞產(chǎn)生，但不能完全消除它[3]。在IGBT 模塊工作中，焊料層承受熱應(yīng)力也會產(chǎn)生空洞損傷。

Bladimir 等人研究了焊料層中實(shí)際空洞率與導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系，并將空洞對焊料層溫度產(chǎn)生的影響進(jìn)行評估[4]。陳民鈾等人提出了計(jì)及焊料層疲勞的IGBT 模塊壽命評估，研究高頻下芯片焊料層與DBC 焊料層分別出現(xiàn)老化時(shí)對結(jié)溫的影響[5]。文獻(xiàn)[6]通過有限元仿真，研究去除硅膠和外殼的IGBT 模塊在出現(xiàn)空洞損傷時(shí)芯片結(jié)溫分布，并建立了考慮空洞損傷的Cauer 模型。焊料層損傷會減小熱流路徑，使更多熱流集中在空洞附近，降低IGBT 模塊的散熱性能，導(dǎo)致結(jié)溫升高，進(jìn)而加快模塊的老化過程。故研究焊料層空洞對IGBT 芯片溫度分布的影響，以及準(zhǔn)確監(jiān)測老化后IGBT 模塊的結(jié)溫具有重要意義。然而，熱量在模塊內(nèi)部傳遞時(shí)受其物理結(jié)構(gòu)的影響[7]，硅膠和外殼是模塊的重要組成部分，會對熱流傳遞產(chǎn)生影響。很多研究成果僅僅專注于芯片及其下層結(jié)構(gòu)對熱流傳遞的影響[5-7]，導(dǎo)致熱仿真模型和熱網(wǎng)絡(luò)模型與實(shí)際模塊結(jié)構(gòu)不相符，然而考慮硅膠和外殼的模型更為真實(shí)。因此，本文研究當(dāng)焊料層出現(xiàn)空洞損傷時(shí)，硅膠和外殼對IGBT 芯片溫度的影響。

1 IGBT模塊的熱模型

本文以型號為WGL100B65F23 的模塊作為研究對象，表1 是各層狀結(jié)構(gòu)的尺寸，表2 是各層材料的參數(shù)。

表2 IGBT模塊各層材料的參數(shù)Table 2 Material parameters of each layer of IGBT module

為研究芯片焊料層空洞對結(jié)溫的影響，選取定制的焊料層空洞率為5.5%、9.4%和15%的模塊作為研究對象，圖1 是其芯片焊料層的X 光照片。

圖1 芯片焊料層空洞分布圖Fig.1 Void distribution map of chip solder layer

1.1 傳統(tǒng)模型

傳統(tǒng)Cauer 模型忽略了硅膠和外殼對溫度的影響，只包括芯片及其下層結(jié)構(gòu)。每一層結(jié)構(gòu)用一對熱阻和熱容來表示。

由于空洞中充滿空氣或?yàn)檎婵諣顟B(tài)，當(dāng)芯片焊料層出現(xiàn)空洞時(shí)，其熱阻值增大，熱容值減小，散熱性能下降，導(dǎo)致模塊結(jié)溫升高。為計(jì)算芯片焊料層出現(xiàn)空洞后的準(zhǔn)確結(jié)溫，需建立考慮空洞損傷的Cauer 模型。

圖2 所示為健康模塊和老化模塊的有效傳熱區(qū)域示意圖。為清楚表示空洞對有效傳熱面積的影響，假設(shè)焊料層出現(xiàn)了一個(gè)面積較大的空洞，將焊料層分成左右兩部分。由于空洞的傳熱能力遠(yuǎn)小于焊料，可以將空洞近似為絕熱。由空洞隔開的兩部分焊料層對于其下層結(jié)構(gòu)來說是兩個(gè)鄰近的熱源，熱量向下傳播時(shí)有效傳熱面積以一定的角度擴(kuò)大，兩部分焊料層的有效傳熱區(qū)域出現(xiàn)耦合。交叉部分的溫度高于其他有效傳熱區(qū)域，因此在空洞上方的芯片處出現(xiàn)高溫區(qū)域。

圖2 健康和老化模塊的有效傳熱區(qū)域?qū)Ρ菷ig.2 Comparison of effective heat transfer area of healthy and aging modules

本文主要研究焊料層出現(xiàn)空洞時(shí)的情況，因此在建立仿真模型時(shí)忽略鍵合線以及接線端子的影響。在有限元仿真過程中，將模塊底部的溫度設(shè)置為室溫，通過設(shè)置邊界條件來模擬散熱器，假設(shè)續(xù)流二極管不發(fā)熱，通過在IGBT芯片上施加功率損耗來模擬模塊工作時(shí)芯片的產(chǎn)熱，根據(jù)表2 所給的數(shù)據(jù)設(shè)置模塊各層狀結(jié)構(gòu)的參數(shù)。

健康和出現(xiàn)空洞損傷的模塊中未考慮硅膠和外殼的有限元仿真模型的芯片溫度分布，如圖3 所示。健康模塊的芯片的中央位置溫度最高，向四周呈遞減趨勢，中心到邊緣的溫度梯度較小，紅色的高溫區(qū)域較大，溫度分布均勻。當(dāng)芯片焊料層出現(xiàn)空洞時(shí)，隨著空洞率的升高，芯片的最高溫度增大。芯片的最高溫度由芯片中央轉(zhuǎn)移到空洞集中或較大面積空洞的上方，芯片的高溫區(qū)域減小，中心到邊緣的溫度梯度增大。仿真結(jié)果與上文的理論分析一致。

圖3 未考慮硅膠和外殼的仿真模型的芯片溫度分布Fig.3 The chip temperature distribution of the simulation model without considering the silicone and shell

傳統(tǒng)熱網(wǎng)絡(luò)模型在計(jì)算熱阻和熱容時(shí)，并未考慮有效傳熱區(qū)域的耦合現(xiàn)象。健康模塊的熱量分布均勻，用這種方法計(jì)算有效傳熱面積時(shí)不會產(chǎn)生較大誤差。當(dāng)芯片焊料層出現(xiàn)空洞時(shí)，這種計(jì)算方法會使熱阻熱容值與實(shí)際情況相差較大，進(jìn)而使熱網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算的結(jié)溫出現(xiàn)較大誤差。但由于空洞位置和大小的隨機(jī)性，很難實(shí)現(xiàn)在實(shí)際工況中考慮空洞對有效傳熱區(qū)域的影響。而經(jīng)過熱仿真發(fā)現(xiàn)，硅膠和外殼可以使結(jié)溫分布均勻，在建立熱網(wǎng)絡(luò)模型時(shí)可忽略空洞對有效傳熱區(qū)域的影響。因此，本文建立考慮硅膠和外殼的雙向熱網(wǎng)絡(luò)模型，以逼近實(shí)際的物理工況。

1.2 雙向熱網(wǎng)絡(luò)模型

焊料層出現(xiàn)空洞時(shí)，考慮硅膠和外殼的熱網(wǎng)絡(luò)模型如圖4 所示。由于此模型同時(shí)考慮了芯片的上、下層結(jié)構(gòu)，因而稱之為雙向Cauer 模型?；趥鹘y(tǒng)Cauer 模型的原理，分別用一對RC 來表示硅膠和外殼的熱阻和熱容，其數(shù)值見表3。

圖4 考慮空洞損傷的雙向Cauer模型Fig.4 Bidirectional Cauer model considering void damage

表3 熱網(wǎng)絡(luò)模型的RC參數(shù)Table 3 RC parameters of the thermal network model

圖5 是考慮硅膠和外殼的IGBT 模塊的有限元分析模型，圖6 為考慮硅膠和外殼的仿真模型的芯片溫度分布。健康模塊的芯片溫度分布與不考慮硅膠和外殼時(shí)的芯片溫度分布接近。而當(dāng)焊料層出現(xiàn)空洞時(shí)，硅膠和外殼可以減小芯片溫度分布受空洞的影響，最高溫度更接近芯片的中央位置，較大面積的空洞上方位置的溫度均勻，芯片高溫區(qū)域較大，溫度梯度較小。由于芯片溫度分布均勻，在計(jì)算熱網(wǎng)絡(luò)模型的熱阻和熱容時(shí)，可忽略空洞對有效傳熱面積的影響。

圖5 考慮硅膠和外殼的有限元仿真模型Fig.5 Finite element simulation model considering silicone and shell

圖6 考慮硅膠和外殼的仿真模型的芯片溫度分布Fig.6 The chip temperature distribution of the simulation model considering the silicone and shell

1.3 硅膠和外殼對結(jié)溫的影響

熱網(wǎng)絡(luò)模型中的熱容在穩(wěn)態(tài)時(shí)相當(dāng)于開路，此時(shí)雙向Cauer 模型相當(dāng)于硅膠和外殼的熱阻之和（記為R1）與其余7 層結(jié)構(gòu)的熱阻之和（記為R2）并聯(lián)，由于R1遠(yuǎn)大于R2，雙向Cauer 模型的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫與傳統(tǒng)模型接近。而當(dāng)芯片焊料層產(chǎn)生空洞后，R2增加，但R1仍然遠(yuǎn)大于R2，所以兩種模型的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫相差較小。在暫態(tài)過程中，由于硅膠的熱容值較大，雙向模型的結(jié)溫上升較慢，使結(jié)溫達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間增大。因此，硅膠和外殼對穩(wěn)態(tài)結(jié)溫影響較小，對暫態(tài)結(jié)溫影響明顯。

圖7(a)所示是空洞率為15%的模塊的兩種模型在有限元熱仿真中的結(jié)溫上升過程，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)兩種模型的結(jié)溫差僅0.3℃左右，但在暫態(tài)過程中，考慮硅膠和外殼的模型的結(jié)溫上升較慢，兩模型的結(jié)溫差較大。仿真結(jié)果與Cauer 模型的分析一致。

圖7 結(jié)溫變化圖Fig.7 Diagram of junction temperature changing

影響IGBT 模塊壽命的關(guān)鍵參數(shù)除了最大結(jié)溫外，還有結(jié)溫波動ΔTj。若模塊工作于高頻下，芯片導(dǎo)通的時(shí)間（即產(chǎn)生功率損耗的時(shí)間）小于結(jié)溫達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間，此時(shí)硅膠和外殼對暫態(tài)結(jié)溫的影響更加明顯，甚至?xí)p小達(dá)到動態(tài)平衡后的結(jié)溫。圖7(b)是高頻下，空洞率為15%的模塊的兩種模型在熱仿真中的結(jié)溫上升過程。在結(jié)溫達(dá)到動態(tài)平衡后，單向模型的最大結(jié)溫為92.735℃，結(jié)溫波動為66.683℃，而雙向模型的最大結(jié)溫為90.653℃，結(jié)溫波動為61.335℃。雙向熱網(wǎng)絡(luò)模型的最大結(jié)溫和結(jié)溫波動均小于單向熱網(wǎng)絡(luò)模型。

硅膠和外殼能有效減小高頻下模塊的最大結(jié)溫和溫度波動，而在實(shí)際應(yīng)用中，IGBT 模塊通常處于高頻工況下。因此，硅膠和外殼不僅使芯片溫度分布均勻，還提高了模塊的可靠性。

2 實(shí)驗(yàn)分析與驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺

為驗(yàn)證雙向Cauer 模型分析的正確性，本文通過實(shí)驗(yàn)獲取IGBT 模塊的結(jié)溫。采用紅外成像儀、熱電偶等設(shè)備直接測取模塊結(jié)溫時(shí)，需要打開模塊的封裝結(jié)構(gòu)，這種實(shí)驗(yàn)方法無法獲取完整封裝的模塊的結(jié)溫。因此，本文通過熱敏電參數(shù)與結(jié)溫的關(guān)系推算結(jié)溫。其中，通態(tài)壓降Vce是最常用的熱敏電參數(shù)。

搭建圖8 所示的實(shí)驗(yàn)平臺。在實(shí)驗(yàn)過程中將IGBT 模塊放置在加熱板的中央位置，設(shè)置加熱板的工作溫度為25℃～125℃，步長為25℃，使模塊充分受熱，此時(shí)可以認(rèn)為加熱板的溫度與結(jié)溫Tj相等。設(shè)置集電極電流為1A～40A，步長為2A，記錄不同集電極電流下Vce的值，獲得到不同溫度下的I-V 特性曲線。根據(jù)I-V 特性曲線擬合得到圖9 所示的Tj與Vce和Ic的關(guān)系曲面。

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺Fig.8 The experiment platform

圖9 Tj與Vce和Ic的關(guān)系曲面Fig.9 The relation surface of Tj to Vce and Ic

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過以上實(shí)驗(yàn)步驟，獲得健康的模塊和空洞率分別為5.5%、9.4%、15%的模塊的Tj與Vce和Ic的關(guān)系曲面。在室溫下，分別給上述模塊的集電極通入恒定電流，記錄模塊達(dá)到穩(wěn)態(tài)前不同時(shí)刻的通態(tài)壓降和結(jié)溫。將通態(tài)壓降與集電極電流的乘積作為芯片的功率損耗輸入熱網(wǎng)絡(luò)模型，通過計(jì)算獲取模塊的結(jié)溫。圖10 為雙向Cauer 模型計(jì)算的結(jié)溫與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)溫對比，由于空洞率為5.5%的模塊的結(jié)溫與健康模塊結(jié)溫接近，只繪制了健康模塊以及空洞率為9.4%、15%的模塊的結(jié)溫曲線。兩種方法獲得的結(jié)果吻合度高，證明雙向Cauer 模型的準(zhǔn)確性。

圖10 雙向Cauer模型計(jì)算的結(jié)溫與實(shí)驗(yàn)對比圖Fig.10 Junction temperature calculated by bidirectional Cauer model and experimental comparison diagram

3 結(jié)論

本文基于IGBT 模塊的硅膠和外殼對結(jié)溫的影響，提出了一種雙向熱網(wǎng)絡(luò)模型，解決了當(dāng)芯片焊料層出現(xiàn)空洞后熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)較難確定以及熱網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算的結(jié)溫不準(zhǔn)確的問題。通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)芯片焊料層出現(xiàn)空洞時(shí)，硅膠和外殼可以減小芯片最高溫度位置的偏移，降低空洞上方位置的溫度，使芯片高溫區(qū)域周圍的溫度梯度減小，溫度分布更接近健康模型，進(jìn)而可以簡化熱網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)的提取。而當(dāng)模塊工作于高頻時(shí)，硅膠和外殼可降低模塊的溫度波動，進(jìn)而減小模塊達(dá)到動態(tài)平衡后的結(jié)溫，對IGBT 模塊起到重要的保護(hù)作用。本文通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用該模型提取IGBT 模塊結(jié)溫的可行性和準(zhǔn)確性，有利于電力電子器件可靠性的檢測。