絕緣柵雙極型晶體管模塊材料參數(shù)的散熱性能研究目錄TOC\o"1-3"\h\u184361.1引言 [42]，在這里將采用兩種類型的空洞進(jìn)行對(duì)比研究，圓形和橢圓形的空洞，并且空洞類型分為上焊層空洞下焊層空洞和貫穿形空洞。為了突出效果此處僅將空洞位置定于焊層中間位置?？斩绰蔬x為2%，圓形空洞的半徑為0.878mm，橢圓形空洞長半軸1.5mm，短半軸0.5mm。圓形和橢圓形空洞又分為三類：上焊層空洞、下焊層空洞和貫穿性空洞，深度為0.05mm。但從空洞形狀來看，圓形空洞的最大結(jié)溫都高于同類型下的橢圓形空洞，由于焊層溫度分布和芯片一樣，呈中心向外擴(kuò)散，中間溫度最高，圓形空洞剛好處在溫度最高的地方，導(dǎo)致原本該位置與芯片或者銅板連接的部分缺失，熱量無法即使傳遞到銅板。而橢圓形空洞長軸為3mm，相較于圓形空洞，部分處在外圍，本身溫度就低，熱量傳遞較少，即使缺失，也比圓形空洞導(dǎo)致的溫升更低，所以同樣的條件下，圓形空洞對(duì)于模塊的溫升是大于橢圓形的。而從焊層應(yīng)力的曲線來看，圓形空洞導(dǎo)致的焊層應(yīng)力是高于橢圓形空洞的，也就是說圓形的空洞更容易導(dǎo)致焊層脫落等情況，最終導(dǎo)致模塊溫度上升直至失效。上焊層和貫穿性空洞的溫度上升幅度基本一致，而下焊層空洞溫度差距明顯減小，因?yàn)闇囟仁菑男酒瑐鬟f到焊層上表面，再通過導(dǎo)熱傳遞到下表面，也就是說上表面的傳熱路徑優(yōu)先度大于下表面，而下表面與銅板焊接，銅板本身的熱導(dǎo)率較高，傳熱效率很高，溫度傳遞到焊層因?yàn)橄卤砻婵斩吹脑?，本身溫度分布就呈中心分布，溫度較高的地方的接觸面積大于溫度較低的地方，熱阻減小，傳熱效率變高，溫度下降幅度增大，所以下焊層圓形空洞的溫度下降幅度大于橢圓形空洞。圖4-11不同類型空洞對(duì)應(yīng)IGBT芯片最大結(jié)溫圖4-12不同類型空洞對(duì)應(yīng)最大等效應(yīng)力1.3.2空洞位置采用圓形空洞進(jìn)行后續(xù)研究，此處采用空洞率為2%的模型進(jìn)行仿真分析，為了研究各類情況，對(duì)空洞的位置進(jìn)行劃分，如圖所示，因?yàn)镮GBT焊層的大小是11mm*11mm*0.2mm，上表面為正方形，所以由對(duì)角線將焊層分成如下圖所示形狀，其余情況與此位置分布完全相同。圖4-13不同位置焊層空洞示意圖圖示為不同空洞位置模型下的IGBT芯片最高結(jié)溫溫度分布云圖。從四張圖可以明顯的看到空洞的位置明顯的影響了IGBT表面最高結(jié)溫的分布，IGBT芯片最大的結(jié)溫都對(duì)應(yīng)了空洞的位置。當(dāng)焊層產(chǎn)生空洞時(shí)，模塊的傳熱路徑被堵塞會(huì)在空洞的周圍形成溫度積累，導(dǎo)致空洞周圍的溫度較高，熱應(yīng)力分布較大，經(jīng)過多次的功率循環(huán)會(huì)導(dǎo)致空洞進(jìn)一步擴(kuò)大，最終使模塊失效，但同時(shí)我們也能看到模塊的溫度不盡相同，這也就意味著空洞的位置雖然會(huì)影響芯片的結(jié)溫分布，但分布的位置對(duì)結(jié)溫的重要性確實(shí)不同的。圖4-141號(hào)位置芯片溫度分布圖(℃)圖4-152號(hào)位置芯片溫度分布圖(℃)圖4-163號(hào)位置芯片溫度分布圖(℃)圖4-174號(hào)位置芯片溫度分布圖(℃)將芯片和焊層的最高結(jié)溫整理成折線圖，可以看到在空洞位置對(duì)于芯片和焊層的溫度分布影響相同，在1號(hào)位置的時(shí)候，芯片的最高結(jié)溫也導(dǎo)致了焊層處的結(jié)溫最高，而在三號(hào)位置芯片和焊層上的結(jié)溫都是不同位置空洞影響下結(jié)溫最低的，由此可以得出芯片正中央的空洞位置對(duì)模塊的結(jié)溫影響是最大的，越接近焊層的邊角處，重要性越低，這也是大多的處在長時(shí)間工作狀態(tài)下的IGBT模塊出現(xiàn)焊層脫落的情況卻不會(huì)立刻導(dǎo)致模塊失效的原因，在前面應(yīng)力分布圖得知，焊層應(yīng)力邊角最大，中心最小，焊層脫落大多從邊角開始最后擴(kuò)展整個(gè)焊層。圖4-18空洞位置對(duì)應(yīng)的芯片和焊層結(jié)溫由于焊層空洞率只有2%左右，對(duì)模塊的整體應(yīng)力和芯片應(yīng)力影響極其有限，從圖線可以看出模塊的最大等效應(yīng)力穩(wěn)定在130.85MPa,因?yàn)榭斩刺幵诤笇由纤院笇拥膽?yīng)力變化范圍較大。處在1和4位置的空洞的焊層最大等效應(yīng)力基本無變化，因?yàn)樾酒笇拥淖畲蟮刃?yīng)力在焊層的邊緣分布，而這兩個(gè)空洞位置處在焊層內(nèi)部。2和4分別在正方形邊線上和邊角處所以應(yīng)力起伏較大。圖4-19空洞位置對(duì)應(yīng)各部分最大等效應(yīng)力通過對(duì)空洞位置的仿真可以直觀的看到，因?yàn)樾酒悄K的產(chǎn)熱源而焊層和芯片緊緊貼合，作為芯片直接的傳熱路徑，焊層的中央出現(xiàn)空洞的影響力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于邊緣處的空洞，焊層中心處的空洞主要影響了芯片和焊層的溫度分布分布云圖，空洞的位置越接近焊層中央產(chǎn)生的影響越大。邊角處的空洞對(duì)模塊整體的應(yīng)力分布影響不大，但對(duì)于焊層應(yīng)力的分布影響很大，當(dāng)空洞處在邊角處時(shí)焊層的應(yīng)力比中心空洞的應(yīng)力大了近三倍，焊層本來就是模塊中較為脆弱的一個(gè)環(huán)節(jié)，長時(shí)間的功率循環(huán)導(dǎo)致的溫度和應(yīng)力累積會(huì)導(dǎo)致焊層從邊角處開始脫落，中心處的空洞開始擴(kuò)展，最終導(dǎo)致模塊的整體失效。所以無論是在封裝工藝中還是在焊接各層材料時(shí)，都要盡量避免空洞的產(chǎn)生，保證模塊的可靠性。1.1.3芯片焊層空洞率大小圓形空洞相比橢圓形的空洞更能影響模塊的溫度分布，處在焊層中間的空洞對(duì)模塊的溫度影響較大，處在焊層邊緣位置的空洞對(duì)焊層的影響影響較大，所以從這兩個(gè)角度去探討空洞率大小對(duì)模塊的溫度和應(yīng)力的影響。芯片焊層和基板焊層的位置不同，體積大小也不同，所以針對(duì)焊層空洞的研究要區(qū)分位置。因?yàn)樾酒笇雍彤a(chǎn)熱源芯片直接焊接，設(shè)置芯片焊層的空洞大小為1%-5%，以1%為增量，去分析空洞率對(duì)模塊的溫度影響。同時(shí)焊層材料選取SnAg和SnPb兩種。模塊的初始溫度為109℃，對(duì)于芯片焊層來說隨著空洞率的增大模塊的溫度持續(xù)上升。空洞率每增加1%，模塊的溫升達(dá)到了5℃，而模塊的溫度每升高10℃，模塊的可靠性將下降一倍?？梢院苊黠@的看到，芯片焊層中間的空洞對(duì)模塊的溫度分布影響非常大。所以在封裝過程中要盡可能保證單個(gè)空洞率低于1%，才能保證模塊的可靠性。由于SnAg焊料的熱導(dǎo)率稍大于SnPb焊料，可以看到其芯片的最高結(jié)溫低于SnPb2-3℃，熱導(dǎo)率大傳熱能力越好，而芯片的產(chǎn)熱是一定的，所以兩種焊料的IGBT芯片溫度會(huì)出現(xiàn)差異。IGBT芯片的安全工作溫度小于150℃，從溫度趨勢來看當(dāng)焊層空洞率達(dá)到7-8%，芯片的工作結(jié)溫將超過安全工作溫度。圖4-20不同空洞率下的IGBT芯片最大結(jié)溫圖為SnAg焊料不同空洞率情況下IGBT芯片和芯片焊層的最大等效應(yīng)力分布圖，可以明顯的看到，當(dāng)焊層空洞率增加的時(shí)候焊層的最大等效應(yīng)力基本沒有變化，也證明焊層的最大等效應(yīng)力處在非焊層中心，對(duì)應(yīng)力影響有限。而芯片的應(yīng)力卻在減少，這是因?yàn)楹笇涌斩绰噬仙?，?dǎo)致芯片的溫度上升幅度較大，由于材料具有的熱脹冷縮的性質(zhì)，芯片會(huì)膨脹，芯片的上表面沒有限制，下表面本身有焊層在阻止了芯片的變形，本身應(yīng)力較大，而隨著焊層空洞率的增大，芯片下方限制變小，芯片本身的形變量增大，而應(yīng)力也隨之減小。圖4-21空洞率對(duì)IGBT芯片和焊層的應(yīng)力影響將焊層空洞的位置設(shè)置在邊角處，參考上文空洞位置。下圖為隨著空洞率的變化芯片何焊層最高結(jié)溫的變化曲線。隨著空洞率的增大，焊層的最高結(jié)溫保持不變，因?yàn)楹笇游恢煤豌~板相連接，銅板的熱導(dǎo)率足夠大，且由于空洞位置處在邊角處對(duì)焊層的最大結(jié)溫影響有限。而當(dāng)邊角處的單個(gè)空洞率大于3%時(shí)，芯片最高結(jié)溫開始迅速上升，空洞率增大1%，溫升將近8℃，而溫度每上升10℃，模塊失效率將增加一倍。當(dāng)邊角處的空洞率小于2%時(shí)，芯片的最高結(jié)溫也基本保持不變，因?yàn)榭斩绰瘦^小且位置處在溫度并不集中的地方，當(dāng)大于3%時(shí)，模塊的傳熱路徑明顯受阻，所以為了保證芯片的安全工作溫度，邊角處單個(gè)空洞的體積要小于焊層的3%。焊層中心位置的空洞在小于一定程度時(shí)，主要影響芯片的結(jié)溫變化，而對(duì)焊層應(yīng)力影響及其有限，當(dāng)邊角處的空洞小于一定程度時(shí)，主要影響焊層的應(yīng)力變化，而對(duì)芯片的結(jié)溫影響有限，但時(shí)無論空洞所處的位置如何，當(dāng)大于一定的范圍時(shí)，將會(huì)嚴(yán)重影響模塊的可靠性，要引起重視。圖4-22空洞率對(duì)芯片和焊層結(jié)溫的影響下圖為邊角處空洞率對(duì)芯片和焊層應(yīng)力的影響曲線圖，在空洞率小于4%的時(shí)候，芯片的最大等效應(yīng)力基本保持不變，維持在40Mpa左右，而當(dāng)空洞率超過4%芯片應(yīng)力開始變大。正好和在分析空洞率對(duì)芯片溫度影響的趨勢一致，空洞率較小且位于邊角處，而芯片的溫度主要集中分布在芯片中心，當(dāng)芯片受熱膨脹時(shí)依舊受到焊層的限制，情況變化不大所以應(yīng)力基本保持穩(wěn)定。而明顯的可以看到焊層的應(yīng)力從60Mpa變成了78Mpa,僅僅4%的增幅，應(yīng)力增長了30%，由于焊層的應(yīng)力分布沿邊緣，所以邊角處的空洞對(duì)于焊層的應(yīng)力影響十分的明顯。所以空洞率增大了焊層邊角處的應(yīng)力，本來邊角處就容易出現(xiàn)焊料脫落的現(xiàn)象，空洞率的增大促使了焊層進(jìn)一步老化失效。圖4-23空洞率對(duì)芯片和焊層的最大等效應(yīng)力的影響1.1.4空洞分布方式為了探究空洞的分布方式對(duì)模塊溫度和應(yīng)力的分布狀況，將焊層2%的空洞率由單一空洞轉(zhuǎn)化為8個(gè)大小一致的空洞，保證空洞率一致。從三個(gè)分布方式去探討對(duì)模塊的影響：均勻分布集中分布邊緣分布表4-2空洞分布方式對(duì)模塊的影響空洞分布方式IGBT芯片最高結(jié)溫(℃)焊層最高結(jié)溫(℃)芯片最大等效應(yīng)力(Mpa)芯片焊層最大等效應(yīng)力(Mpa)邊緣分布91.13392.6237.50236.4集中分布100.99100.4358.98213.8均勻分布91.75993.64738.82211.1當(dāng)8個(gè)空洞集中分布在焊層中間時(shí)，IGBT芯片最高結(jié)溫為100.99℃大于邊緣分布的91.13℃和均勻分布的91.76℃，因?yàn)楫?dāng)沒有空洞時(shí)芯片表面的溫度分布以圓形從正中心向四周遞減，而中心的空洞對(duì)芯片的溫度影響最大，同理芯片焊層和芯片溫度分布趨勢一致，并且根據(jù)之前仿真得到單一空洞處在焊層中間時(shí)芯片溫度為107.96℃可知，在焊層中間，單一的空洞是比同空洞率下多個(gè)空洞的影響要大的。從應(yīng)力的角度來看，集中分布和均勻分布的焊層應(yīng)力大小接近，因?yàn)楹笇拥淖畲蟮刃?yīng)力分布在焊層邊緣位置，均勻分布和集中分布對(duì)邊緣位置影響不大。集中分布的空洞影響了芯片的溫度分布所以導(dǎo)致了芯片的最大等效應(yīng)力是超過其余空洞分布方式的。所以在生產(chǎn)工藝中要防止產(chǎn)生單一的較大的空洞，較小的空洞帶來的危害程度遠(yuǎn)低于單一大空洞。同在2%的空洞率下的單一空洞芯片結(jié)溫達(dá)到了110℃，而小空洞的結(jié)溫101℃，差別還是非常的明顯。圖4-24邊緣分布對(duì)焊層應(yīng)力的影響(Mpa)圖4-25集中分布對(duì)焊層應(yīng)力的影響(Mpa)圖4-26均勻分布對(duì)焊層應(yīng)力的影響(Mpa)1.5小結(jié)先對(duì)原有的封裝模塊的熱-力特性進(jìn)行耦合分析。初始IGBT芯片最高結(jié)溫為109℃，F(xiàn)RD芯片最高結(jié)溫為81.406℃，最大應(yīng)力123.46MPa。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊獲悉，IGBT模塊最高結(jié)溫不得超過150℃，而各部分的應(yīng)力也遠(yuǎn)小于模塊的最大承壓范圍，仿真數(shù)據(jù)完全符合封裝標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)榛宓淖饔檬侵文K并且和散熱器相連接的，對(duì)保證模塊的可靠性非常的重要。由此對(duì)于基板的厚度和材料的選擇進(jìn)行了仿真分析，采用了Cu、AlN、AlSiC三種材質(zhì)的基板，厚度范圍選擇2-8mm進(jìn)行分析，由于銅的熱導(dǎo)率較大模塊整體的溫度較低，價(jià)格低廉，但由于其較大的熱膨脹系數(shù)容易導(dǎo)致模塊各層之間出現(xiàn)參數(shù)不匹配，脫落或者變形，主要應(yīng)用于可靠性要求不高且小型的功率器件中。而AlN和AlSiC材質(zhì)的基板雖然溫度稍高，但由于其較低的熱膨脹系數(shù)，和器件具有較好的適配性，優(yōu)秀的機(jī)械強(qiáng)度在大功率器件中應(yīng)用十分廣泛。焊層是各層材料的連接物，焊層的選擇不僅會(huì)影響模塊的散熱性能還有可靠性。并且由于焊料層較薄且工藝操作要求高，焊層是整個(gè)模塊中最容易出問題的部位之一。選擇了最常用的SnAg和SnPb兩種焊料，厚度選擇在0.05-0.4mm進(jìn)行仿真分析。由于兩種焊料的性質(zhì)接近，模塊的整體溫度和應(yīng)力變化幅度不是很明顯。焊層厚度變薄使得模塊整體熱阻下降，模塊的導(dǎo)熱能力增強(qiáng)，模塊整體溫度較低，但較薄的焊層容易出現(xiàn)脫落和裂紋等問題引起模塊的可靠性下降；而隨著焊層厚度的增加焊層可靠性稍高但模塊的溫升非常明顯，所以在選擇焊料時(shí)要根據(jù)應(yīng)用的工況決定。焊層空洞是焊層最容易出現(xiàn)的問題，而且由于空洞位置的不確定性對(duì)于模塊的影響非常大。首先從空洞的類型入手，根據(jù)已知資料空洞大多為原形和橢圓形，將空洞位置放置在焊層中心，分為焊層上空洞、焊層下空洞和貫穿性空洞三類進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在焊層中心處圓形空洞對(duì)模塊的結(jié)溫影響大于橢圓形，貫穿型空洞大于其余兩種，因?yàn)镮GBT芯片的溫度集中分布在芯片中間，圓形空洞分布面積較為集中。將圓形貫穿形空洞至于焊層中間、邊角處、邊線處、重心處，去分析對(duì)模塊的影響。焊層中心處的空洞對(duì)芯片的溫度影響最大，焊層邊角處的空洞對(duì)焊層應(yīng)力影響最大，所以在實(shí)際條件中更要專注中心處和邊角處的空洞的存在。以中心處和邊角處的焊層空洞為例，分析了從1%-5%的空洞率對(duì)模塊的影響變化。當(dāng)空洞處在焊層中心時(shí)，隨著空洞率的增加芯片的溫度直線上升，幅度達(dá)到了空洞率每升1%溫升達(dá)到8℃，