焊料层形变对IGBT热阻影响的研究

王艳丰，张小玲，佘烁杰，田蕴杰

（北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京 100124）

焊料层形变对IGBT热阻影响的研究

王艳丰，张小玲，佘烁杰，田蕴杰

（北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京 100124）

构建简化的IGBT三维模型及焊料层二维模型，分析焊料层受热应力产生的塑性形变对器件热阻的影响。弹塑性仿真分析表明，焊料层的塑性形变导致细小裂纹的出现，这些细小的裂纹在周期性的热应力的作用下逐渐地变大，最终形成比较明显的空洞，从而使得器件的热阻变大。

绝缘栅双极晶体管；塑性形变；断裂分析；空洞

0 引言

绝缘栅双极晶体管 （IGBT：Insulate Gate Bipolar Transistor）是由双极晶体管 （BJT：Bipolar Junction Transistor）和绝缘栅型场效应管 （MOS：Metal-Oxide Semiconductor）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。IGBT既具有BJT的载流密度大、饱和压降低等优点，又具有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单以及开关速度高等优点。正因为如此，IGBT已作为高速和高压开关而被广泛地应用在了电力电子领域。但是，IGBT工作时的功率较大，这会使得器件的温度较高，而高温又会导致器件的可靠性降低甚至失效。因此，对IGBT进行热分析就显得十分必要。张健等人已经研究了IGBT焊料层中的空洞对器件的热可靠性的影响，证实了焊料层中的空洞会增大器件的热阻。这些空洞是由于不同物体之间的热膨胀系数 （CTE）的不同而形成的。本文通过Ansys软件仿真来研究焊料层形变对IGBT热阻的影响，以期为设计和工艺工程师选择焊料的材质提供依据。

1 构建三维模型和热-力耦合仿真

1.1 三维模型

本文以TO-220AB封装的IRGB4045DPbFIGBT模块为原型，进行模型构建。在实际工作中，IGBT器件的热传递方式比较复杂，通常包括内部热传导、器件表面与空气之间的热对流和热源的辐射换热三种。由于半导体芯片的工作温度一般小于423 K，所以仿真时可以只考虑器件内部的热传导。另外，考虑到大功率带散热器的热量传导的路径是从Si芯片向下传导的，所以构建模型时只考虑Si芯片层、焊料层和热沉[1]。

图1 IRGB4045DPbF三维正面、背面和剖面图

三维模型的尺寸和材料数据如表1所示。

表1模型的尺寸和材料

1.2 热—力耦合仿真

仿真时对IGBT的工作条件做了如下理想的假设：1）硅芯片上的温度分布均匀；2）考虑到弹塑性仿真时，焊料层63Sn37Pb的应力应变曲线是在353 K时测得的。由于通过热仿真器件各层间的温度差为17.1℃，因此仿真过程中将热沉下的表面温度设成恒定的337 K，则焊料层的温度就接近于353 K，这样仿真的结果就会更接近实际情况。IGBT工作功率为77W，则加载到Si芯片上的生热比HG=P/V=2.9e10W/m3。

表3仿真时材料的属性

Ansys的热—力耦合仿真结果如图2所示。图2a表明焊料层和Si接触一侧的最大热应力为11.5 MPa，最大应力面积约为90%，且处于中心位置；图2b表明焊料层和热沉接触一侧的最大热应力为7.91 MPa，最大应力面积约为30%，且处于中心位置。

a焊料层和Si接触面应力分布图

图2 Ansys热-力耦合仿真结果

2 焊料层形变对IGBT的热阻的影响

2.1 弹塑性仿真

弹塑性是指物体在外力作用下产生不可恢复的形变的性能。如果材料没有明确的屈服应力，则认为当材料的形变量是材料原长度的0.2%时材料所受到的应力为材料的屈服应力。正常工作时，IGBT处于周期性地开通和关断的状态，因而焊料层的温度也会发生周期性的变化。由于器件各层的CTE不同，焊料层将产生周期性的热应力，当这个热应力足够大时，焊料层就会产生不可逆的塑性变形。

图3是张莉等人在 “Anand模型预测63Sn37Pb焊锡钎料的应力应变行为”[2]研究中测得的63Sn37Pb焊锡钎料在0.001%/s时的应力应变曲线，在图中取4点，以便于进行仿真时使用，即： （0.2， 5.24）、 （2， 6）、 （4， 5.86）、（6，5.67）。

图3 63Sn37Pb在0.001%/S、353 K时的应力应变曲线

为了简化仿真过程，构建了焊料层的二维模型，如图4a所示。图4b为仿真时添加的热应力随时间变化的曲线图。图5为point 1对应的、在Y方向的位移量随时间变化的曲线图。

由图5可知，在应力恢复到零的2～3 s内，point 1在Y方向的位移没有恢复到零，而是停留在1E-7 m处，即此处发生弹塑性形变。固体的原子可视为相互接触的球体，Sn原子的半径为145 pm，Pb原子的半径为180 pm，均远远小于塑性形变量[3]。因此，焊料层在周期性的热应力作用下，出现了局部区域密度降低及局部松动的现象。在实际的工作中，这些区域非常有可能会诱发焊料层产生细小的裂纹。

图4 焊料层的二维模型及其热应力曲线图

图5 应力作用下point1在Y方向的位移

2.2 断裂分析

空洞在刚形成时，可能仅仅是一条微米级的裂纹，在周期性的热应力的作用下，这些裂纹会不断地扩大，裂纹和裂纹之间相互合并，最终便形成了大规模的空洞[4]。断裂性分析是利用传真技术来证明焊料层空洞从产生到扩大的变化过程的。

图6 a为含裂缝的焊料层的二维模型，L33固定，L37加+Y方向的应力，小矩形中间的横线为裂纹。[5]

从仿真的结果可知，裂纹在外力的作用下确实是扩大了，从而验证了在热应力的作用下，焊料层的确会产生裂纹，并且产生的裂纹会不断地扩大，仿真后的裂纹扩大图如图6 b所示。空洞形成后器件的热阻会大幅度地升高，从而使器件的可靠性降低。

图6 含裂缝的爆料层二维模型及其裂纹扩大图

3 实测结果

图7为某型号IGBT进行高低温循环实验时得到的超声波扫描显微镜照片[6]。

从图7可以看出，经过周期性热应力的作用，焊层出现了大量的空洞，这和上面的仿真结果相吻合。实测结果还表明，裂纹大部分是从Cu热沉和焊料层的接触面处形成的，这是因为Cu热沉的CTE比Si的CTE大，也就是说，Cu热沉阻挡焊料层发生形变的能力比Si芯片层阻挡焊料层发生形变的能力弱，因此Cu热沉和焊料层的接触面更容易形成弹塑性形变，也就更容易形成裂纹。董少华在研究IGBT器件的热可靠性的过程中通过结构函数证明了器件在循环实验中焊料层空洞对热阻的影响很大。

图7 超声波扫描显微镜照片

4 结束语

通过仿真和实测的对比分析可得，IGBT焊料层形成空洞的内在原因是因为各层材料之间的CTE不同，从而使得焊料层产生了热应力，在热应力的作用下焊料层产生弹塑性变形，进而导致了焊料层密度分布不均，局部开始松动，形成裂纹。在周期性的热应力的作用下，裂缝又会不断地扩大，最终形成比较明显的空洞，导致器件热阻升高。

[1]董少华，张兴华，朱阳军.IGBT器件热可靠性的研究[D].山东：山东大学，2014.

[2]张莉，陈旭，NOSE H，等.Anand模型预测63Sn37Pb焊锡钎料的应力应变行为 [J].研究简报，2003，26（4）：447-450.

[3]陈娜，秦飞.无铅焊锡材料动态学性能研究 [D].北京：北京工业大学，2008.

[4]徐云燕，吕晓飞，郑利兵，等.IGBT模块封装工艺的研究 [J].智能电网，2014，2（1）：44-47.

[5]田蕴杰，张小玲，谢雪松，等.IGBT热疲劳工作对焊料层可靠性的影响 [J].固体电子学研究与进展，2014，34（3）：288-292.

[6]张健，张小玲，吕长志，等.IGBT焊料层中的空洞对器件热可靠性的影响 [J].固体电子学研究与进展，2011，31（5）：517-521.

Study on the Influence of the Deformation of Solder Layer on the Resistance of IGBT

WANG Yan-feng，ZHANG Xiao-ling，SHE Shuo-jie，TIAN Yun-jie
（College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

A simplified three-dim ensionalm odel of IGBT and a two-dimensionalmodel of solder layer are constructed，and the influence of plastic deformation of solder layer caused by thermal stress on the resistance of component is analyzed.The elastic plastic simulation analysis shows that the plastic deformation of the solder layer will lead to the emergence of small cracks.And under the influence of the periodic thermal stress，these tiny cracks will gradually become larger and larger and form obvious hollow in the end，which willmake the resistance of componentbecome larger.

IGBT；plastic deformation；fracture analysis；hollow

TN 386.2；TN 322+.8；TP 391.97

：A

：1672-5468（2015）05-0020-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2015.05.005

2015-05-11

2015-09-17

王艳丰 （1991-），男，河南焦作人，北京工业大学电子信息与控制工程学院学生，研究方向为半导体器件热可靠性。