IGBT 模块热应力下的分层失效分析

刘江文,杨道国

(桂林电子科技大学 机电工程学院,广西 桂林 541004)

随着电子技术在近几年的快速发展,大功率器件和集成电路的应用越来越广泛。功率半导体器件广泛应用于电力电子行业中,尤其是高功率设备。其中IGBT 功率模块是电子产品的基础元器件之一,在电子化产业中扮演着至关重要的角色[1]。绝缘栅双极晶体管(IGBT)是由双极型晶体管(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,IGBT 具备MOSFET 高输入阻抗和GTR 低导通压降两方面的优点,是MOSFET 和双极晶体管的成功组合[2]。IGBT 功率模块作为电力系统的核心部件,其性能和可靠性对应用系统有着至关重要的作用[3]。

国内外研究表明,热疲劳是导致IGBT 模块封装失效的最主要因素[3-5]。这是由IGBT 模块特殊的多层结构和各层材料之间的热膨胀系数不匹配导致的,当温度发生变化的时候,IGBT 模块中各层材料会反复受热膨胀和冷却收缩,由于各层材料之间的热膨胀系数不匹配,这种热失配会使得IGBT 模块经受热应力的反复作用,热应力的反复作用会引起材料和结构损伤,造成永久失效[6]。疲劳失效主要包括焊层疲劳失效,而焊层常见的疲劳形式有空洞、裂纹等。Huang 等[7]指出了焊料层和接触材料出现结温差时产生剪切应力,可知CTE(热膨胀系数)、结温差是影响焊料层剪切应力的关键因素;肖飞等[8]通过有限元仿真研究焊料层不同位置空洞对IGBT 模块结温和热-机械应力的影响,发现当空洞位置在边角位置时对模块的可靠性影响最大。孙海峰等[9]研究了空洞大小对IGBT 模块结温的影响,发现焊料层空洞率与结温成正相关关系。

鉴于此,本文以IGBT 模块为研究对象,利用ANSYS 有限元数值分析软件对IGBT 模块进行建模分析,模型包括塑封料环氧树脂、IGBT 芯片和续流二极管芯片(Freewheel Diode,FWD)、纳米银焊层、DBC基板上铜层、氮化铝陶瓷层DBC 基板下铜层,忽略了引线键合的建模影响[10]。分析IGBT 模块在温度循环过程中所受到的热应力和因热应力而产生的总体形变,比较了不同热载荷条件下IGBT 模块热应力、总形变的区别,然后设置预制裂纹,对比相同热载荷条件下,焊层裂纹对模块所受应力的影响,得到裂纹区域应力和形变与温度载荷之间的关系,这对IGBT 模块的可靠性研究有着重要意义。

1 IGBT 模块建模和有限元分析

1.1 IGBT 几何建模

本文研究的IGBT 模块的封装结构图如图1(a)所示,隐藏环氧树脂塑封料后的IGBT 模块三维图如图1(b)所示。该模块主要包括两个IGBT 芯片和两个FWD 芯片,用引线键合的方式实现封装的微型化和芯片间的信号的快速传输,通过纳米银焊层把IGBT 芯片和DBC 基板相连接,最后再用塑封料环氧树脂进行塑封。建模时忽略了键合线的影响,封装组件各部分的尺寸如表1 所示。

图1 IGBT 模块示意图Fig.1 Schematic diagram of IGBT module

表1 模型尺寸Tab.1 Model dimensions

1.2 各材料属性设置

查阅文献资料[11-13]确定IGBT 模块的各部件的材料参数数值,具体数值如表2 所示。

表2 IGBT 模块中材料的性能Tab.2 Material performances of IGBT module

1.3 网格划分

网格划分程度选择fine,Relevance 设置为100。手动设置IGBT 芯片、FWD 芯片,纳米银焊层的网格层数为6 层,DBC 上下两铜层和中间的氮化铝陶瓷层均设置为4 层,隐藏环氧树脂塑封体后的网格划分结果如图2 所示。

图2 IGBT 模块有限元网格模型Fig.2 Finite element mesh model of IGBT module

1.4 加载与边界条件

边界条件设置:将DBC 基板底面最接近塑封体的一个端点作为整个模型变形的参考原点,即在DBC 基板底面该端点处施加x和y向零位移约束。

对IGBT 模块施加温度循环载荷:按照美国军用标准ML-SID-883[14],设定22 ℃为零应力应变的初始状态,温度循环区间为-55～125 ℃,低温保温时间为15 min,高温保温时间为10 min,从低温到高温和从高温到低温的温变速率都为12 ℃/min,一个温度循环周期是55 min,一共5 个循环周期,总的温度循环时间是

275 min,温度循环采用的温度曲线如图3 所示。

图3 温度循环曲线Fig.3 Curve of the temperature cycle

2 仿真结果和分析

为了便于观察,文中的仿真结果图里都隐藏了塑封料环氧树脂,并且图示结果都是在IGBT 模型进入第4 个温度循环时的低温(-55 ℃)和高温(125 ℃)结束时刻取得。温度循环中IGBT 模块的总变形图如图4 所示。观察形变图(图4(a)和(b))可知,在温度循环的过程中,IGBT 模块随着温度的变化发生形变。当处在低温的时候,IGBT 模块整体向下凹,此时IGBT 模块的最大形变量达到0.030488 mm;当处在高温的时候,IGBT 模块整体向上凸,IGBT 模块的最大形变量达到0.040784 mm。

图4 低温和高温时IGBT 模块的总变形图Fig.4 Total deformation nephograms of IGBT module at low and high temperatures

图5 为低温和高温时IGBT 模块的应力云图。由图5(a)所示应力云图可知,在低温的时候,热应力的最大值存在于芯片和环氧树脂相接触的四个边角、芯片和纳米银焊层相接触的四个边角,应力值达到205 MPa;观察图5(b)应力云图发现,在高温的时候,热应力的最大值也存在于芯片和环氧树脂相接触的四个边角、芯片和纳米银焊层相接触的四个边角,应力值达到265 MPa。所以综上可知不管是在低温状态还是在高温状态下,IGBT 模块的最大应力值都在同一位置,区别只是应力值大小不同,这是因为不同的温度引起的热应力变化是不一样的。而在IGBT 实际的工作过程中,芯片和焊层相接触的四个边角处确实更容易在循环热负载下开裂,严重时甚至出现分层现象。

图5 低温和高温时IGBT 模块的应力云图Fig.5 Stress nephograms of IGBT module at low and high temperatures

3 焊层裂纹对仿真结果的影响

3.1 预制焊层裂纹

芯片和焊层相接触的四个边角处在热循环的负载下非常容易开裂产生裂纹,因此针对裂纹对IGBT 的影响进行深入研究。在纳米银焊层边角处设置初始裂纹,裂纹处的网格划分如图6 所示。设置裂纹的长度为0.05 mm,裂纹的深度为0.01 mm。

图6 纳米银焊层裂纹有限元模型Fig.6 Finite element mesh model of nano silver solder layer crack

针对纳米银焊层有裂纹缺陷的IGBT 模块进行与上文温度载荷相同的温度循环仿真,取IGBT 模型进入第4 个温度循环时的低温(-55 ℃)和高温(125 ℃)结束时刻为观察时刻,分别得到低温和高温两个不同温度时刻的纳米银焊层处的裂纹仿真应力云图如图7 所示。

3.2 仿真结果分析与讨论

观察图7(a)和(b)低温和高温状态下的两组应力云图可知,纳米银焊层有裂纹缺陷的时候,裂纹尖角处会出现应力集中现象。在低温条件下,裂纹尖端应力值达到41.074 MPa,而裂纹周围的应力值为24.044 MPa;在高温条件下,裂纹尖端应力值达到54.82 MPa,而裂纹周围应力值为31.97 MPa。为进一步研究温度对裂纹处应力的影响,根据温度循环曲线,选取第4 个温度循环周期-55～125 ℃中的10 个温度结点,这十个温度结点分别为-55,-35,-15,5,25,45,65,85,105,125 ℃,仿真得出每个温度下裂纹尖角处的最大形变量和最大等效应力值并绘制成曲线,如图8 所示。由图8(a)和(b)可知裂纹尖端的最大等效应力和最大形变量随温度的变化趋势。当温度小于22 ℃的时候,随着温度的增加,裂纹尖端的最大等效应力和最大形变量都逐渐减小;当温度达到22 ℃的时候,最大等效应力和最大形变量都达到最小值;当温度大于22 ℃时,随着温度的增加,裂纹尖端的最大等效应力和最大形变量都逐渐增大。

图7 低温和高温时纳米银焊层裂纹处的应力云图Fig.7 Stress nephograms of nano silver solder layer crack at low and high temperatures

图8 裂纹最大等效应力和最大形变量随温度变化图Fig.8 The maximum deformation and the maximum equivalent stress of crack versus temperature

查阅资料可知对于单一材料,J积分参数可以作为研究裂纹扩展的依据[15]。所以计算出这十个温度点中每个温度点相对应的J积分值并绘制成曲线。图9 是裂纹尖端处最大J积分值随着温度变化的曲线图,从图中可以看到,裂纹尖端的J积分值和温度是非线性关系。当温度小于22 ℃时,随着温度的增加,J积分逐渐减小;当温度达到22 ℃时,J积分的值为0,此时达到最低值;当温度大于22 ℃时,随着温度的增加,J积分逐渐增大,当温度达到125 ℃,J积分达到最大。这说明裂纹在低温或者高温的这种极端条件下最容易扩展。

图9 J 积分随温度的变化图Fig.9 The curve of J integral versus temperature

4 结论

针对IGBT 模块建立了有限元三维模型,利用有限元分析方法,首先仿真了温度循环条件对IGBT 模块的应力和形变的影响,发现在温度循环的过程中IGBT 芯片和纳米银焊层相接触的四个边角处出现热应力集中现象,这与国内外的研究结果相符合;然后探讨了焊层裂纹缺陷对IGBT 应力和形变的影响以及裂纹尖端应力、形变量和J积分与温度之间关系。结果表明,在温度循环的过程中,纳米银焊层的裂纹尖端出现应力集中,在温度从低温增加到高温的过程中,裂纹的最大应力值从低温时的41.074 MPa 先减小到室温时的1.594 MPa,再增加到高温时的54.82 MPa;最大形变量从低温时的0.0197 mm 先减小到室温时的0.0074 mm,再增加到高温时的0.0273 mm;J积分值从低温时的4.427×10-7J·mm-2先减小到室温时的0,再增加到高温时的7.922×10-7J·mm-2。可见在极端低温或者高温条件下器件的分层区域最容易扩展。

通过以上研究发现温度对分层的扩展影响很大,如果器件长时间在温度变化太大的环境下工作,器件内部存在的裂纹极有可能发生扩展,从而发生分层现象,器件长期工作也容易受到疲劳破坏,因此控制好器件工作的温度和时间对提高器件的寿命具有重要意义。