车载逆变电源IGBT焊点热疲劳裂纹萌生及扩展研究*

于士军，朱恒伟

车载逆变电源IGBT焊点热疲劳裂纹萌生及扩展研究*

于士军，朱恒伟

（德州学院汽车工程学院，山东 德州 253000）

车载逆变电源中的IGBT在使用过程中，由于电流断续作用，会引起IGBT焊点在热疲劳过程中产生裂纹并扩展。通过实验，对钎料焊点的裂纹扩展规律进行了研究。通过微观及外观研究，发现了不同钎料和不同焊盘尺寸的裂纹萌生及扩展规律。

IGBT；热疲劳；裂纹扩展

引言

车载逆变电源可以将车载蓄电池的直流12V电压转换成交流220V电压，满足外出时随车使用笔记本电脑、手机充电等需要，其安全可靠性直接关系到出行的体验和工作的顺利完成。其电路板中的SMD元件焊接过程中，焊点的可靠性影响到了元件的正常工作时的电流通行和机械稳定性。所以，焊点的稳定性至关重要。经研究发现，由于电流产生的热疲劳破坏是影响焊点可靠性的重要原因，对焊点由于热疲劳而产生的裂纹萌生及扩展进行研究具有重要意义。

1 焊点热疲劳裂纹研究的试验方法

选择两种不同的焊膏，分别是柏仕达TZ1011含铅焊膏Sn63Pb37和DT-168A-W1无铅焊膏Sn96.5Ag3.0Cu0.5。含铅焊膏为早期使用较为广泛的钎料，随着对环保要求的不断提升，无铅焊膏越来越受到重视。选用两种不同焊膏进行试验对比，研究其裂纹萌生和扩展规律。同时，选用两种不同的焊盘尺寸，分别对应0201和0402型SMD元件，研究尺寸不同对热疲劳裂纹的萌生和扩展的影响。

进行试验时，将热疲劳试验机中焊点处的试验温度范围定为–55～125℃，高温和低温的时间保持在10min，加热时间和降温时间都控制在3min。300次循环后先用电镜扫描观察显微组织的变化情况，然后对焊点进行磨削处理，观察裂纹情况；500次、800次后再次重复上述操作，研究裂纹扩展规律。

2 裂纹扩展试验结果分析

2.1 热疲劳裂纹外观变化情况分析

将热疲劳300次的一部分焊板取出，磨削至焊点中间部位进行观察，发现出现两种裂纹萌生状态：一种为裂纹出现在SMD元件的顶角部位，并向元件底部与焊盘的接触面发展；第二种为裂纹在元件顶角和元件底部与焊盘接触面处产生。当观察热疲劳500次的试验焊板时，发现两种裂纹都有所发展，第一种裂纹由顶角向元件与焊盘的接触面方向扩展；第二种裂纹已经完全扩展至元件与焊盘的接触面，并且沿着元件的侧面与钎料的接触面向上扩展。热疲劳循环800次之后，取出部分试验焊板进行观察，发现第一种裂纹已经导致元件与焊盘接触部位完全脱离，但侧面与钎料仍然保持一定的焊接状态；第二种裂纹导致元件无论是侧面还是底面，都与钎料脱离。

这两种裂纹在不同的钎料和焊盘尺寸中都有发生，通过观察可以发现一定规律。在热疲劳循环次数较少时，无铅钎料要比含铅钎料的裂纹萌生得要慢；大焊盘要比小焊盘裂纹萌生得慢。同时，热循环次数少时，裂纹扩展得也较慢。热疲劳循环500次以后，裂纹扩展得速度加快，但依然是无铅钎料要比含铅钎料的裂纹扩展得要慢；大焊盘要比小焊盘裂纹扩展得慢，但此时，由于焊点已被破坏得较严重，所以其强度已经被削弱。到了热疲劳循环800次以后，焊点被贯穿的数量急剧增加。通过观察可以发现，无铅钎料要比含铅钎料焊点失效数量要少，大焊盘要比小焊盘焊点失效的数量要少。

2.2 热疲劳过程中显微组织的变化情况分析

因为元件、焊盘和钎料热膨胀情况是不同的，所以焊点之中存在热应力，从而使得焊点处产生热疲劳裂纹，这种由于塑性变形的不均匀导致裂纹逐渐扩展。通过电镜扫描，可以发现随着热疲劳循环次数的增加，裂纹的萌生及扩展情况。如图所示为热循环为300、500和800次之后的显微组织。

图1 300次热疲劳后组织粗化

图2 500次热疲劳后裂纹产生

由观察可见，在热疲劳初期，焊点各处都可以看到均匀粗化的组织；但是随着次数的逐渐增加，元件、焊盘和焊点由于材料不同，变形不同，热应力不同，导致接近两者的组织粗化程度超过了焊点的中心部位。在观察500次热循环的电镜扫描图，可以发现裂纹开始产生在变形量相差较大的不同金属相界面处。观察800次热循环电镜扫描图，可以发现又有许多细小的裂纹出现在变形情况相近的不同金属相界面。

图3 800次热疲劳后裂纹扩展

由观察又可以发现，对于不同钎料和不同焊盘尺寸的焊点中都会发生裂纹萌生及扩展，但通过比较可以发现，无铅钎料的焊点裂纹明显小于含铅钎料焊点；小尺寸焊盘上的焊点裂纹情况明显要比大尺寸的要严重得多。

2.3 试验结果

通过试验外观及显微组织对比分析，可以看出，使用无铅钎料焊接的元件，其抗热疲劳性能明显要强于含铅钎料。对于之前广泛使用的含铅钎料来说，用无铅钎料替代，可以有效提高焊点的使用寿命。尽管无铅钎料成本略高一些，但综合来看，为了提高元器件的可靠性，提升逆变电源在各种复杂路况下的使用可靠性，使用无铅钎料进行焊接，提升车辆配置的品质，可以明显提升用户体验。

对于不同焊盘尺寸的焊点来说，尺寸不同，对焊点的质量有直接的影响。焊盘尺寸越大，越会降低焊板的故障率，有效提升焊点的抗热疲劳性能，在设计电路板时，要尽量将焊盘尺寸设定一个合理值，某种程度上来说，控制了焊盘尺寸，就实现了对抗热疲劳性能的控制。

通过微观观察可见，由于不同金属相的弹性模量不同，导致不同组织的热膨胀系数不同，从而使得焊点发生裂纹并扩展，最终导致焊点失效。所以通过改善钎料材料，可以有效提升焊点的抗热疲劳性能。

3 结论

通过对含铅及无铅钎料及不同尺寸焊盘试验板焊点进行热疲劳试验研究发现，有两种裂纹扩展方式；裂纹萌生和扩展随着热疲劳次数的增加而加速；无铅钎料较含铅钎料有更好的抗热疲劳性能；大尺寸焊盘焊点可靠性更高，因此，对于经常行走于不同路况的车辆来说，选用无铅钎料及大尺寸焊盘进行焊接，可有效提升焊点的热疲劳强度，提高车载逆变电源的可靠性。

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[5] 郭建亭.高温合金的蠕变及疲劳-蠕变-环境交互作用规律和机理[J],中国有色金属学报,2011.3.

The Research of Thermal Fatigue Cracks Initiation and Propagation of IGBT Solder Joints of Vehicle Inverter*

Yu Shijun, Zhu Hengwei

( College of Automotive Engineering, Dezhou University, Shandong Dezhou 253000 )

When IGBT of vehicle inverter is used，thermal fatigue cracks initiation and propagation of IGBT solder joints appear because of intermittent action of current. The crack propagation law of solder joints is studied through experiments. Crack initiation and propagation patterns of different solders and different pad sizes are found by microscopic and appearance studies.

IGBT; Thermal fatigue; Crack propagation

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1671-7988(2019)21-140-03

于士军（1974.11-），男，硕士，黑龙江佳木斯人，就职于德州学院汽车工程学院。研究方向：汽车电器。朱恒伟，硕士，就职于德州学院汽车工程学院。研究方向：汽车电器。

U467

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1671-7988(2019)21-140-03

教育部产学合作协同育人项目“杭州绘自传网络科技有限公司师资培训”，编号：201802165024。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.049

CLC NO.: U467