焊层空洞对IGBT芯片温度的影响

郝建红+苏立昌

摘 要： 焊层空洞是造成IGBT模块散热不良的主要因素，基于IGBT的七层结构，建立了IGBT模块封装结构的三维有限元模型并对其进行热分析，研究焊层空洞对IGBT芯片温度的影响。对比了有无焊层空洞时IGBT模块的整体温度分布，分析了空洞类型、空洞大小、空洞形状、空洞数量及空洞分布对IGBT芯片温度分布的影响。研究结果表明：芯片焊层空洞对芯片温度的影响较大，衬板焊层空洞对芯片温度的影响较小；贯穿型空洞对芯片温度的影响要大于非贯穿型空洞；单个空洞越大，IGBT芯片温度越高；相同形状的空洞，处于边角位置比处于焊层内部对芯片温度影响大；多个空洞分布越集中，芯片温度越高；焊层缝隙对芯片温度的影响要小于空洞对芯片温度的影响。因此，在封装过程中应避免出现芯片焊层空洞，以提高IGBT的可靠性。

关键词： 焊层空洞； IGBT模块； 有限元； 芯片焊层； 热分析； 芯片温度

中图分类号： TN32?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）03?0151?06

Abstract： The voids in solder layer are the main factors causing the poor heat dissipation of the IGBT module. On the basis the seven?layer structure of IGBT， the three?dimensional finite element model of the IGBT module package structure was established， and perform with the thermal analysis. The overall temperature distribution of the IGBT module of the solder layer with and without voids is compared. The influence of void type， void size， void shape， void quantity and void distribution on the IGBT chip temperature distribution is analyzed. The study results show that the void in the chip solder layer has great influence on chip temperature， the void in the scaleboard solder layer has slight influence on chip temperature， the perfoliate void has greater influence on chip temperature than the non?perfoliate void， the IGBT chip temperature becomes higher with the increase of void， the position in the corner has greater influence on chip temperature than that inside the solder layer for the same shape voids， the chip temperature becomes high with the concentration of the multi?void distribution， and the influence of solder gap on chip temperature is slighter than the void. Therefore， it is necessary to avoid the chip soldering voids in the packaging process to improve the reliability of IGBT.

Keywords： solder void； IGBT module； finite element； chip solder layer； thermal analysis； chip temperature

0 引 言

绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是由双极型三极管（BJT）和绝缘栅型场效应管（MOS）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，已广泛应用于各个领域，如高铁、智能电网、新能源汽车、太阳能等领域。它兼具MOSFET和BJT的优点，具有高输入阻抗、低导通压降等特点，自诞生以来迅速成为行业发展的重点。

IGBT模块的应用决定了IGBT模块不仅需要有非常高的可靠性，而且还要有较长的使用寿命。理论及实践表明，器件的工作温度每升高10 ℃，其失效率将增大一倍左右[1]，因此，加强散热是提高IGBT模块寿命的主要手段。IGBT模块是由IGBT芯片、FRED芯片与衬板和衬板与基板焊接而成，在焊接过程中容易在焊层中形成形状大小不一的空洞。焊层是IGBT模块散热的主要通道，随着IGBT模块功率的提高，对焊层的传热性能提出了更高的要求。在高频开关过程中，焊层蠕变会产生更多的空洞，使热量不能有效地传导，最终形成热斑导致IGBT失效[2]。因此，研究焊层空洞对模块芯片温度的影响对提高IGBT模块的可靠性至关重要。

国内外关于空洞对IGBT的影响进行了一些研究，文献[3?6]研究了焊层空洞对IGBT模块最大等效应力和热可靠性的影响，研究内容和侧重点各有不同，但关于焊层空洞形状和空洞群体分布没有涉及。文献[7?10]对空洞与热阻之间的关系进行了研究，得到了一些定性结论，但关于焊层空洞对IGBT芯片温度的影响研究较少。基于此背景，本文采用ANSYS软件建立了IGBT模块的三维封装结构，分析了空洞类型、空洞大小、空洞形状、空洞数量及空洞分布对芯片温度的影响。endprint

1 IGBT有限元模型及相关参数

去除塑料外壳与硅胶，IGBT其实体模型为七层结构，如图1所示，从上往下依次为芯片、芯片焊层、正面铜层、衬板、背面铜层、衬板焊层、基板。本文以1 200 V/100 A的IGBT模块为例，建立有限元模型进行分析。各种材料的几何尺寸及材料特性如表1所示。

对实体模型和边界条件进行了如下假设：

1） 衬板及衬板铜层简化为规则图形；

2） 键合线相对于整个模块而言，传热较小，因此模块忽略键合线；

3） IGBT模块在工作中，热传递的方式主要包括芯片发热进行的热传导。

半导体材料特性随温度变化非常明显，其热导率（单位：W/（cmK））随绝对温度的变化规律可表述为：

式中：相较于半导体材料，金属材料的热导率随温度变化较小，因此，只考虑半导体的热导率随温度的变化。在工作中，IGBT芯片是模块发热的主要来源，因此，本文只考虑IGBT芯片发热，IGBT芯片的生热速率为：

式中：为生热速率；为功率；为体积。本文模拟中选择在IGBT芯片施加的功率为120 W，经式（2）计算得生热速率为。基板底部安装在散热装置上进行强制对流换热，对流换热系数设置为基板四个侧面与空气自然对流换热，对流换热系数为，环境温度取25 ℃。IGBT模块的有限元网格模型如图2所示。

2 计算结果分析与讨论

2.1 焊层无空洞时IGBT模块的温度分布

图3为焊层无空洞时IGBT模块温度分布和基板温度分布图，由图3可以看出，IGBT模块内部温度分布均匀，芯片中心温度最高，约为82.5 ℃，温度沿中心位置向边缘逐渐降低，基板远离芯片处温度最低。焊层、衬板和基板的最高温度均出现在芯片下方，表明芯片产生的热量主要是向下传导。

2.2 芯片焊层空洞和衬板焊层空洞对芯片温度的影响

封装过程中产生的焊层空洞位置与形状是随机的，相关文献指出，空洞的形状大多为圆形或椭圆形[11]。由于焊层上表面为规则图形，具有良好的对称性，因此，选取典型的6个位置对其进行分析讨论，空洞位置及编号如图4所示。

首先，以空洞率来描述焊料层中空洞的大小，将空洞率定义为空洞面积与焊料层面积之比。进而对芯片焊层空洞和衬板焊层空洞对芯片温度的影响进行对比分析，选取5%的空洞率的圆形空洞在位置1进行热计算，结果如图5所示。

由图5可以看出，芯片焊层空洞和衬板焊层空洞都不同程度地使得IGBT芯片的温度升高，其中芯片焊层有空洞时，IGBT芯片最高温度约为92.5 ℃，与图3a）对比发现，芯片最高温度上升了10 ℃。模块工作温度每上升10 ℃，其寿命降低约50%，因此，在生产过程中应注意芯片焊层空洞的产生。在相同的空洞率下，衬板焊层中心空洞引起的IGBT芯片温度变化约为2 ℃，虽然衬板焊层中心空洞也阻碍了热量的传导，但相对于芯片焊层空洞而言，对芯片引起的温度变化较小，因此后续只讨论芯片焊层空洞对芯片温度的影响。

2.3 非贯穿型焊层空洞对芯片最高温度的影响

非贯穿型空洞类型有三种：类型1，在芯片焊层上表面；类型2，在芯片焊层内部；类型3，在芯片焊层下表面。芯片焊层的厚度为0.2 mm，这里选取半径1.39 mm（5%空洞率）、高度0.1 mm的圆柱在位置1时对芯片最高温度的影响进行分析。三种类型空洞及5%空洞率的贯穿型空洞对芯片最高温度的影响如图6所示。

由图6可知，贯穿型空洞对芯片温度的影响要大于非贯穿型空洞；对于非贯穿型空洞，空洞越靠近芯片位置，芯片温度就越高。由图3中的模块温度分布图可以看出，热量自上至下呈扇形传导，而焊层空洞的热导率远远小于焊层的热导率，因此焊层空洞越靠近芯片位置，阻碍热量向下传导的影响就越大，使得芯片的温升就越高。研究中为了正确评估模块的使用寿命，应考虑最大化的影响程度来分析焊层空洞对芯片温度的影响，因此下面针对贯穿型空洞进一步分析焊层空洞对芯片温度的影响。

2.4 单个焊层空洞对芯片最高温度的影响

本文在此采取的空洞形状为圆形，且圆心在位置1～6上。位置1，2，4處于焊层内部，3，5，6处于边角位置，当焊层空洞半径相等时，空洞在位置3，5上的空洞率为空洞在焊层内部时的空洞在位置6上的空洞率为空洞在焊层内部时的即焊层空洞在位置1～6上有相同空洞率时，边角上的空洞与焊层内部空洞对应的半径也不相同，因此对焊层内的空洞和边角上的空洞分开讨论。

图7a）为不同大小的空洞在焊层内部时对芯片最高温度的影响。从图中可以发现，空洞较小时，焊层空洞对芯片最高温度影响不大。但随着空洞的增大，芯片最高温度几乎呈直线上升，空洞在位置1时对芯片的温度影响最大，在位置4时对芯片的温度影响最小，当空洞率达到10%时，两者之间温差最大，约为6 ℃。当空洞较大时，空洞位置对芯片最高温度的影响并不明显，在位置1，2，4上的芯片最高温度几乎一样，将近121 ℃，而焊层无空洞时芯片温度为82.5 ℃，温度上升将近39 ℃，严重影响IGBT模块的正常工作。因此，在空洞检测方面，应注意芯片焊层是否有单一的大空洞出现。从仿真结果来看，芯片焊层内的单个空洞应尽量控制在2%以内。

图7b）、图7c）分别为不同大小焊层边空洞和焊层角空洞对芯片最高温度的影响。从图中可以看出，芯片最高温度随空洞的增大呈抛物线升高。空洞较小时，芯片最高温度变化不大。空洞在焊层边上时，位置3，5对芯片温度的影响差异不大。随着空洞的增大，芯片最高温度急剧上升，特别是焊层角空洞对芯片最高温度的影响尤为严重，仅在5%空洞率的情况下，芯片的最高温度达到116.7 ℃，相较于无空洞时，芯片温度上升幅度较大，严重影响了IGBT模块的工作特性。对比图7a）可以发现，在相同的空洞率下，焊层边角空洞对芯片温度的影响要大于焊层内部空洞对芯片温度的影响。由于在相同的空洞率情况下，位置1，3，6上空洞的形状不一致，此时还无法判断芯片最高温度不同是由空洞所处的位置引起的还是由空洞的形状引起的。endprint

在上面的分析中，焊层内部和边角上的空洞形状是不一样的，焊层内部空洞为圆形，焊层边空洞为半圆，焊层角空洞为圆，因此以位置1为例，选取空洞形状为半圆和圆的空洞进行热分析，结果如图8所示。从图中可以看出，随着空洞的增大，芯片最高温度逐渐上升，空洞形状对芯片最高温度的影响并不明显。与图7b）、图7c）对比发现，在相同条件下，边角上的空洞对芯片温度的影响要大于焊层中心空洞，尤其是焊层角空洞，对芯片温度的影响更为严重。因此，在生产制造过程中应避免芯片焊层边角空洞的出现。

图9给出了焊层空洞5%空洞率时在位置5处的芯片温度分布云图，从图中可以发现，芯片的最高温度不再出现在芯片中心，而是出现在焊层空洞上方，改变了芯片的温度分布，造成芯片局部热量过度集中，容易形成热斑，导致模块被烧毁。

2.5 多个焊层空洞对芯片最高温度的影响

上面分析了单个空洞对芯片最高温度的影响，接着分析多个焊层空洞对芯片最高温度的影响。在芯片焊层中选取16个空洞，每个空洞的半径为0.62 mm（空洞率为1%）。引入三种规则的空洞分布模型：均匀分布；集中分布；边缘分布，如图10 所示。

三种群体空洞分布下芯片的最高温度如图11所示，从图中可以看出，空洞集中分布时，芯片温度最高；空洞边缘分布时，芯片温度最低。与图7a）对比发现，16个1%空洞率的空洞对芯片最高温度的影响远远小于单个16%空洞率的空洞。因此在芯片焊接过程中，应注意焊层大空洞的产生。

2.6 焊层缝隙对芯片最高温度的影响

芯片焊层除了常见的圆柱型空洞以外，还有裂缝形成的空洞，细微的裂缝对热传导的影响不大，但随着功率循环的增加，不同材料间的热膨胀系数不一致，导致小裂缝逐渐扩张成大的裂缝，从而阻碍热传导的进行，导致IGBT芯片失效。图12给出了不同大小裂缝对芯片最高温度的影响。选取位置1上的裂缝进行研究分析。

从图12可以看出，随着芯片焊层缝隙的增大，芯片的最高温度呈指数性增长，由此可见，焊层缝隙对芯片温度的影响不容小觑。与图7a）对比可以发现，相同空洞率下，焊层缝隙对芯片最高温度的影响要小于焊层空洞，这是由于IGBT芯片产生的热量自上至下呈扇形传导，在同样的中心位置，空洞阻碍热量传导的有效面积更大，使得芯片的温度更高。

在制造过程中，细微的缝隙往往不容易被检测出来，但随着IGBT模块的使用，缝隙在热应力的作用下，逐渐扩大形成不可恢复的永久损伤，因此，缝隙对芯片温度的影响不容忽视，在生产制造及质量检测方面应更加注重检测细小的缝隙。

3 结 语

本文考虑了半导体材料热导率随温度变化的规律，建立了IGBT模块封装结构的三维有限元模型，计算和分析了空洞类型、空洞大小、空洞形状、空洞数量及空洞分布对IGBT芯片最高温度的影响。研究结果表明：

1） 芯片焊层空洞和衬板焊层空洞都不同程度地影响了热量的传导，使得IGBT芯片的温度上升，但芯片焊层空洞相较于衬板焊层空洞来说，对芯片最高温度的影响较大。相同空洞率情况下，芯片焊层空洞使得芯片的最高溫度上升约为10，而衬板焊层空洞使得芯片的温度上升约为2，因此在生产制造过程中，要特别注意避免芯片焊层空洞的产生。

2） 芯片焊层中的贯穿型空洞对芯片温度的影响要大于非贯穿型空洞，而对于非贯穿型空洞，越靠近芯片，对芯片温度的影响也就越大。

3） 空洞较小时，对芯片最高温度的影响不大，随着空洞的增大，芯片最高温度逐渐上升。在相同条件下，边角上的空洞对芯片温度的影响要比焊层内空洞对芯片温度的影响大，尤其是焊层角空洞，对芯片温度影响最大，因此，在生产制造过程中应尽量避免焊层边角空洞的产生。空洞的出现，使得芯片的最高温度出现在空洞上方，容易形成热斑，导致IGBT芯片失效。

4） 在相同的空洞率下，单个焊层空洞对芯片温度的影响要大于多个小空洞对芯片温度的影响。多个空洞存在时，空洞越靠近焊层中心，对芯片温度的影响也就越大。

5） IGBT芯片的温度随焊层缝隙的增大呈指数性增高，虽然焊层缝隙对芯片温度的影响要小于焊层空洞对芯片温度的影响，但随着焊层缝隙的增大，对IGBT芯片温度的影响却不容小视。因此在生产过程中应多加注意缝隙的产生。

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