(论文)IGBT模块焊料层空洞对模块温度影响的研究.pdf

第 2期 2 0 1 4年 4月 , a 4 t ； 舛譬 研宪 瞎哥 瓤 j o u r n a l o f c aei t vo 1 9 n o 2 apr 2 01 4 d o i ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 3 - 5 6 9 2 2 0 1 4 0 2 0 0 3 i gb t模块焊料层空洞对模块温度影响 的研 究 徐玲 ， 周 洋， 张泽峰 ， 陈明祥， 刘 胜 ( 华中科技 大学 机械科学与工程 学院， 武汉4 3 0 0 7 4 ) 摘 要 ： 介绍 了i g b t模块的封装工艺， 分析真空回流焊接过程 中焊料层空洞的形成机理， 并使用 s a m方法检测并测量空洞； 接着通过有限元模拟方法对模块进行 热分析 ， 对比了焊料层有、 无空洞 情况下模块的整体温度 ， 具体研 究焊料层 空洞尺寸、 空洞分布位置和焊料层厚度对芯片温度分布的 影 响 。 关键词 ： i g b t； 焊料层空洞 ； 有限元分析 ； 热分析 ； 可靠性 中图分类号： t n 6 0 5 文献标识码 ： a 文章编号 ： 1 6 7 3 - 5 6 9 2 ( 2 0 1 4 ) 0 2 1 2 5 - 0 5 i n flu e n c e o f s o l d e r vo i d t o th e r ma l di s t r i b u t i o n o f i gbt m o d u l e x u l i n g ，z hou ya n g，z hang z e f e n g ，c he n mi n g x i a n g ，l i u s h e n g ( s c h o o l o f me c h a n i c a l s c i e n c e a n d e n g i n e e r i n g ，h u a z h o n g u n i v e r s i t y o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y ， wu h a n 4 3 0 0 7 4， c h i n a ) abs t r a c t ：th e p a c k a g i n g p r o c e s s o f i gbt mo d u l e i s i n t r o d uc e d，t h e f o r ma t i o n me c h a n i s m o f t he s o l de r v o i d i s a n a l y z e d ， a n d s a m ( s c a n n i n g a c o u s t i c m i c r o s c o p e )m e t h o d i s u s e d t o d e t e c t a n d me a s u r e t h e v o i d s b e s i d e s ，f e a ( f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s )m e t h o d i s c h o s e n t o a n a l y z e t h e t h e r m a l p e r f o rm a n c e o f i gbt mo d u l e co mme r c i a l fin i t e e l e me n t s o f t wa r e i s u s e d t o c o mp a r e t h e t e mp e r a t u r e di s t r i b u t i o n o f mo d u l e wi t h a n d wi t h o u t s o l d e r v o i d mo r e o v e r ，t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n v o i d s i z e，v o i d l o c a t i o n，s o l d e r t h i c k n e s s a n d t h e r ma l p e rfo r ma n c e o f c hi p a r e s t u di e d ke y wor d s：i gbt；s o l d e r v o i d；f ea ；t h e rm a l a n a l y s i s；r e l i a b i l i t y 0 引 言 近年来 ， 绝 缘栅 双 极 晶体 管 ( i g b t ， i n s u l a t e d g a t e b i p o l a r t r a n s i s t o r )以其输入 阻抗 高、 开关 速度 快、 通态电压低、 阻断电压高、 承受 电流大、 热稳定性 好等特点 ， 成为 当今功率半导体器件发展主流。其 应用领域广阔 ， 现已广泛应用于高铁及轨道交通 、 汽 车电子 、 风电 、 太阳能 、 家电节能 、 u p s 、 数控机床、 焊 机、 电力传输等领域。 i g b t模块耐压 6 0 0 v以上、 电流 1 0 a以上、 频 率为 1 k h z 以上， 在工作条件下其输出功率高， 功耗 收稿 日期 ： 2 0 1 3 1 1 1 3 修订 日期 ： 2 0 1 4 - 0 4 - 0 3 基金项目： 国家 8 6 3高技术基金项 目( 2 0 1 1 a a 0 5 0 4 0 1 ) 大， 进而发热量大。研究表 明， 电子产 品失效的原因 约有 6 0 是由温度升高造成的 ， 并且器件 的失效率 随温度的升高呈指数趋势增长 ， 温度 每升高 i o c失 效率将提高一倍。因此 ， 对 i g b t封装 ， 散热是提 高器件可靠性及寿命的关键。 i g b t模块工艺中涉及环节颇多 ， 在真空回流焊 接工艺过程 中， 芯片与直接敷铜陶瓷基板 ( d b c， d i r e c t b o n d c o p p e r )上铜层之间的焊料层以及 d b c下 铜层与模块底板之问的焊料层 由于工艺 限制 ， 均会 存在空洞。空洞 出现的原 因来 自于多方 面， 其存在 极大的影响了模块的热性能， 使得模块热阻增大、 散 热性能降低 、 器件局部温度升高， 甚至在长期工作条 1 2 6 f r i ii 鼋； 舛譬 研宪 限謦 极 2 0 1 4 年 第2 期 件状态下会造成焊料层 与基板脱层等失效 ， 而降低 模块的可靠性和使用 寿命 i 3 j 。因此 ， 弄清焊接 过 程 中空洞的形成机理 ， 并研究空洞对模块 的温度及 可靠性的具体影响意义重大。国内外关于空洞对器 件温度的影响已进行 了一些研究 引， 但 空洞 的位 置分布、 尺寸大小等细节参数对芯片及模块温度的 影响 尚无具体分析。 下面首先分析了焊料层中空洞的形成机理 ， 再 对比模块有无空洞两种情形下的器件热性能。由于 模块在工作条件下 的测量不稳定性及复杂性 ， 故采 用有限元分析 ( f e a，fi n i t e e l e m e n t a n a l y s i s ) 方法对 该器件进行 热特性及 机械特性研 究 ， 故建立 i g b t 模块 的有限元分析模型 ， 计算焊料层 中的空洞对封 装体 的温度分布的影 响， 研究空洞 的尺寸大小和位 置分布等对器件温度分布的影响。 1 i gb t模块焊料层 空洞形成机理 1 1 i gb t模块 结构 i g b t模块封装结构 ， 如图 1 所示 ， 芯片焊接到 d b c基板上 ， d b c基板焊接到铜基板上 ， 再通过粗 铝线键合工艺实现 芯片及外接 端子之 间的电气连 接 ， 而后密封胶水安装壳体 ， 再灌注硅凝胶 ， 实现模 块 内部 的密封、 防潮 、 防震及绝缘。 图 1 i gb t模块 示意图( 键合铝线未显示 ) 1 2 焊料层 空洞形成 机理分析 焊料层 的空洞 出现在贴 片工艺步骤 中。i g b t 模块的贴 片工艺 主要 采用 s n 9 6 5 a g 3 c u 0 5焊 膏 ( 简称 s a c 3 0 5 ) 和真空回流焊接技术 。 s a c 3 0 5焊膏 的熔 点为 2 1 7 2 1 9 c， 回流峰 值温度设为 2 4 0 ， 液相线上停 留时间设 为 6 0 s ， 加 热 因子 为 6 6 0 s o c， 满 足 焊 膏加 热 因子最 佳 范 围 ， 由此设计出对应 回流曲线 ， 如图 2所示 。 i g b t芯片面积通常为 6 m m6 m m及以上 ， 属 于大芯片焊接 ， 为了提高焊接质量 ， 在 回流工艺 中形 成氮气氛围以减少焊膏熔化过程中成分氧化而产生 杂质 ， 同时增加 真空步骤 ， 施 加负压抽 取挥发性物 质 ， 以提高焊接质量 ， 减少焊料层空洞的产生。 图 2真 空 回流 焊 接 回流 曲线 然而， 焊膏在焊接过程 中溶剂和部分添加剂挥 发， 增加真空条件的负压载荷只能减少挥发的残留， 而未完全挥发的成分则在合金焊料粉熔化后再冷却 的过程中夹杂在焊料层中， 从而形成空洞 。并且溶 剂及助焊剂的粘性越强 ， 其挥发物越易被吸附， 从而 焊点空洞越容易形成。此外 ， 杂质在液态 的合金焊 料粉中聚集 ， 同样形成空洞 。 空洞在 i g b t模 块 的使用 过程 中并不 维持 稳 定 ， 由于材料热膨胀系数( c t e， c o e ffic i e n t o f t h e r ma l e x p a n s i o n ) 的不匹配， 随着工作过程中模块温度的变 化将产生热应力 ， 从而使得空洞进一步扩大 ， 长期使 用甚至造成相邻空洞连成片而产生焊料层 的脱层 ， 从而造成模块的功能失效 。 2 模型描述及仿真相关参数 以 1 2 0 0 v、 7 5 a的 i g b t模块 为例 ， 建立有 限 元模型进行分 析。其 中 i g b t芯片为 主要热源 ， 其 工作 中的功率损耗为 6 0 w， 芯片尺寸为 6 5 mm 6 5 mm， 模块内部共有六块 i g b t芯片 ， 分布在两块 d b c基板上 。底板材料为铜。 采用 c o ms o l有限元分析软件 计算稳态 热传 导问题 ， 建立几何模型和有限元模 型时作 出如下假 设 ： 铝线线径为 0 5 mm， 相对模块整体传热很小 ， 故 认为芯片热量不沿铝线传递 ， 因此模 型中忽略键合 线 ； i g b t器件工作 中， 热传递方式包括模块 内部 由 于芯片 自发热进行 的热传 导， 模块表面于外界空气 的对流换热 ， 以及热源的辐射换热 。在计算 中， 由于 工作温度不高于 1 2 5 c i = 并且模块 内部填充热导率小 于 1 w ( m k ) 的硅凝胶 ， 故忽略 了辐射换热和模 块内的对流换热 ； 模块整体安装在带翅片 的热沉上 进行强制对流换热。综上 ， 认 为模块 的热传递途径 为对 芯 片施 加均 匀 热源 ， 热 量从 芯 片通 过 焊料 、 d b c、 铜基板、 热沉途径向外界传热。基板底 面施加 当量对 流换 热 系数 ( 2 0 0 0 w m k) ， 环境 温度 6 莒 一 譬量 ， 血 h 晋 l_ 一 1 2 8 中 i鼋 鼋； 舛譬 研宪 瞎学瓤 2 0 1 4 年第2 期 焊料层无空洞时模 块整体温度分布如 图 6 ( a ) 所示 ， 最高 温度 为 9 6 4 1 4 。而 当模块 内出现空 洞 ， 在六块芯片上分别增加一个空洞 ， 即使空洞率很 低( 此处根据 上文所测焊料层空洞 尺寸分 布， 取 中 间值 即空洞半径 0 5 m m， 空洞率为 1 8 ) ， 芯片最 高温升高为 1 3 3 7 1 ， 出现在空洞上方 ， 形成热斑 ， 直接造成芯片烧毁 ， 如图 6 ( b ) 所示。 当焊料层 出现空洞 时， 空洞处的热导率为空气 热导率 5 w ( m k) ， 远远低于焊料的导热能力 ， 热 量在空洞处聚集形成热斑 ， 烧毁芯片。 3 2空洞 尺寸对温 度分布 的影响 针对 3 1中模块中存在空洞的情况进一步进行 分析， 研究空洞尺寸对温度分布的影响。空洞尺寸 影响芯片热斑处的最高温， 在焊接工艺 中难免出现 空洞 ， 故而研究满足可靠性要求 的空洞率允许范围 来规范工艺 ， 从而制定 焊接工艺的检测标准 。假设 空洞位 于焊料层 的中心 ， 空洞半径从 0 m m 1 m m 变化且变化步进为 0 1 m m时 ， 芯片温度分布如图 7 所示。从图中可以看 出， 存在空洞时温度明显上升 ， 并且 ， 随着空洞直径的增加 ， 芯片位于空洞上方位置 的温 度 急 剧 增 加。无 空 洞 时， 芯 片最 高 温 度 为 7 0 ， 而 当空洞尺寸增加到半径 1 mm时， 芯片最高 温升高到 1 0 7 。焊料层空洞半径与芯片最高温度 的关系如图 8所示 。由图 7可见 ， 从焊料层存在空 洞开始 ， 焊料层空洞半径与芯片最高温基本呈线性 关 系。 _ o 5 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 o 3 5 标轴 m m 图 7 焊料层空洞半径与芯片温度分布 的关系 l 1 o ： 95 赠 9 0 惺8 5 嚼8 o 萎77 o5 6 5 图8 焊料层空洞半径与芯片最高温度的关系 3 3 空洞位置分布对温度分布 的影响 焊料层空洞无法避免的时候 ， 焊料层空洞的位 置就变得尤为重要。关键部位确保无空洞 ， 部分位 置出现空洞在可靠性适应范 围之 内是可以接受 的。 基于整体模块的分析结果 ， 分析 图 5中 16特征 点。通过有限元计算确定不同位置空洞分布对芯片 最高温的影响 ， 计算结果如图9所示。从图中可以发 现 ， 焊料空洞越靠近焊料层 中央( 如点 1 、 2 、 3 ) ， 造成 的温度增加就越高 。如果焊料层空洞位于底边角点 处( 如点 5 、 6 ) ， 则温度增加就较 少。当空洞半径 为 0 5 m m时 ， 空洞出现在最中心时芯片最高温为 7 6 c i = ， 而位于底边中心处芯片最高温则为 7 0 c i 二 。这是因为 越靠近焊料中心的位置， 越容易形成热量集 中而导致 温度较高。因此 ， 控制空洞出现的位置在焊接工艺中 也极为重要 ， 在焊料层空洞无法避免的时候 ， 尽量使 空洞出现在角落处， 可降低空洞对温度增加的影响。 p 赠 幄 略 均 特征位置点 图 9不同位置空洞分布与芯片最高温 的关 系 3 4 空洞存在时焊料层厚度对温度分布的影响 空洞的存在及焊料层本身性质同时作用于对模 块温度分布的影响， 因此进行多重因素的分析 ， 进一 步针对空洞存在时焊料层厚度变化对模块温度分布 的影响进行分析。 参考 i g b t模 块 的贴 片 焊 接工 艺 ， 焊 料 层 厚 度从 0 1 m m 0 2 mm进 行参数化 分析 ， 步进 取 0 0 2 m m。此时， 设定空洞半径 0 5 m m， 空洞位置位 于 6号点( 参考图 5空洞位置标注) 。研究焊料层厚 度与芯片最高温度的关系 ， 分析结果如图 1 0所示。 1 0 0 0 9 9 5 越 9 9 0 哩 9 8 5 僵 9 8 0 9 7 5 9 7 0 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 焊料层厚度 n u n 图 1 0 焊料层厚度与芯片最 高温 度的关系 2 0 1 4年第 2期 徐玲 等： i g b t模块焊料层空洞对模块温度影响的研究 1 2 9 从图中可见 ， 焊料层厚度与芯片最高温度 的关 系几乎呈线性变化， 且焊料层厚度每增加 0 1 m lt i ， 芯片最高温升高 2 7 。据此可控制焊料层 的最高 厚度 。 4 结 语 通过上述分析 ， 得出以下结论 ： ( 1 ) 空洞存在极大地增加了芯片最高温度 。无 空洞时芯片的最高温度仅为 9 6 4 1 4 c， 而当空洞半 径为 0 5 mm时 ， 芯片最高温达到 1 3 3 7 1 c c， 出现在 空洞位置处， 造成芯片局部过热而烧毁。 ( 2 ) 空洞尺寸越大 ， 温度增加越 明显。随着空 洞尺寸从 0增加到 1 m m， 芯片最高温度从 7 0 c增 加到 1 0 7 。 ( 3 ) 焊料层空洞越 靠近中心位 置， 相应芯片 的 最高温度就越高。当空洞半径 为 0 5 i t l n l 时 ， 分析 六个特征位置点空洞可以发现 ， 空洞 出现在最中心 时芯片最高温为 7 6 c， 而位于底边 中心处芯片最高 温则为 7 0 c i = 。 ( 4 ) 焊 料层 厚 度越 大 ， 相 应 芯 片 的最 高温 度 就越高。当空洞半径为 0 5 mm， 空洞 出现在最 中 心时 ， 随着焊料层厚 度从 0 1 mm到 0 2 mm变化 时 ， 焊 料层厚 度每增 加 0 1 m m， 芯 片最高温 升高 2 7 。 因此 ， 在焊接工艺 中， 由于现有的真空 回流焊接 工艺条件无法避免空洞的形成 ， 那么保证一定 的空 洞率范围即控制空洞尺寸在允许大小之 内， 并且控 制空洞出现的位置尽量在边角处 ， 焊料层厚度可适 当减薄 ， 将极大地降低空洞 的存在对温度升高的影 响， 从而提高模块的可靠性和使用寿命 。 参考文献 ： 2 3 刘勇 微电子器件及封装的建模与仿真 m 北京 ： 科 学 出版社 2 0 1 0 oti aba k c， bhatti r s， ekere n n e t a1 the r ma l e f f e c t s o f di e at t a c h vo i d s l o c a t i o n a n d s t y l e o n p e r f o rm a n c e o f c h i p l e v e l p a c k a g e c i n a d a p t i v e s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y ( i c a s t ) ， 3 r d i e e e i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e ， 2 01 1： 231 - 6 f l e i s che r a s cha ng l h j ohn s on b c t h e e f f e c t o f d i e at t a c h v o i d i n g o n t h e t h e r mal r e s i s t a n c e o f c h i p l e v e l p a c k a g e s j m i c r o e l e e t r o n i c s r e l i a b i l i t y ， 2 0 o 6 ， 4 6 ( 5 6)： 7 9 4 8 0 4 4 5 6 7 8 9 1 0 1 2 1 3 li u y p o we r el e c t r o n i c p a c k a g i n g： de s i g n， as s e mb l y p r o c e s s ， r e l i a b i l i t y a n d mo d e l i n g m g e rma n y ： s p r i n g e r ， 2 0 1 2 丁杰， 唐玉兔 ， 忻力， 等 i g b t模块封装的热性能分析 j 机车电传动， 2 0 1 3 ( 0 2 ) ： 9 - 1 2 施建根， 孙伟锋 ， 景伟平， 等 车载 i g b t器件封装装片 工艺中空洞的失效研究 j 电子与封装， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 2 3 7 张小玲， 张健 ， 谢雪松， 等 i g b t热特性的仿真及焊料 层分析 j 功能材料与器件学报， 2 0 1 1 ， ( 6 ) ： 5 5 5 - 8 张雨秋， 刘玉敏 智能功率模块的封装结构和发展趋 势 j 电子与封装 2 0 0 9( 4 ) ： 4 7 xu l h， p ang j h l， c he f x i mp a c t o f t h e r ma l c y c l i n g o n s n - ag - c u s o l d e r j o i n t s a n d b o a r d - le v e l dr o p re - l i a b i l i t y j j o u r n a l o f e l e c t r o n i c ma t e r i al s ， 2 0 0 8 ， 3 7 ( 6 ) ： 8 8 0 -6 o nuki ， j ， c honan， y， a 1 i n f l u e n c e o f s o l d e rin g c o n d i t i o n s o n vo i d f o r ma t i o n i n l arg e ar e a s o l d e r j o i n t s j ma t e r i a l s tr a n s a c t i o n s 2 0 0 2， 4 3( 7)： 1 7 7 4 - 7 z hai m， guo mj e f f e c t o f hi g h t e mp e r a t u r e s o l d e r v o i d o n he a t di s s i p a t i o n p e rfo rm a n c e