【《功率信号下的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的热模型仿真分析案例》6000字】

PAGE40功率信号下的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的热模型仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u4840功率信号下的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的热模型仿真分析案例 1295341.1耦合场分析方法 1189501.2稳态热-力耦合仿真分析 288651.3单脉冲功率信号作用下的IGBT热效应分析 9299571.4周期脉冲功率信号作用下的IGBT热效应分析 11213561.5小结 141.1耦合场分析方法耦合场分析的方法通常考虑两个或者两个以上的物理场之间的相互作用，耦合分析包括两部分：直接耦合分析和顺序耦合分析。IGBT模块在特定的工况环境下，通电流电压，会产生大量的损耗，进而转化为热量，热量沿着层状路径的传导会导致模块的温度分布发生变化，而温度会引起模块产生热应力，进而对模块的正常工作状态造成影响。本文是基于有限元分析软件ANSYS的IGBT模块热仿真模型分析。ANSYS是包含结构、流体、磁场等分析于一体的通用有限元分析软件，适用于多个物理场的耦合分析包括结构分析、流体动力学分析、电磁分析、压电分析等。该软件包含三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块可以让用户根据自己的实际需求来创建有限元模型，并对建立的有限元分析模型进行区域化处理，调整各区域的精度等条件。分析计算模块就是对划分的区域进行求解，网格划分越密，求解时间越长，求解的精度就越高。后处理模块就是将计算的结果以图标、图形等形式输出或者显示。有限元分析方法(FEA)利用数学近似求解的思想对真实的物体模型和工况进行模拟分析，利用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析方法是用较为简单的问题去代替复杂的问题去求解，将所求的模型划分为多个子模块和区域，用施加的载荷去分析多个子区域，将求解出来的子区域进行叠加得到完整模型的处理结果。因此，这种方法得到的最终结果不是准确的结果，是无限接近于结果的近似解，所划分的区域越多，求解的结果就越准确，但同时所需要的求解资源也就越多。因为有限元对任何的模型求解具有通解性，能适应各种复杂情况，因此在工程分析中被广泛使用。1.2稳态热-力耦合仿真分析首先用Soildworks软件进行建模，模型完成后另存为x.t格式。3D模型如图所示。在Soildworks中队模型进行切割划分，保证各个部分的正确性。模型的数据由数据手册和文献得到。选取了型号为SHH1D150T07S2的IGBT模块,改模块由两个相同的部分组成，两部分关于中轴线旋转重合，并且这两部分的温度分布和应力分布特性一致，因此只针对左半边进行有限元分析。模型参数如表3-1所示表3-1IGBT模块几何结构尺寸(mm)材料长宽高IGBT芯片11110.27FRD芯片7.57.50.27IGBT焊层11110.2FRD焊层7.57.50.2衬底铜层(上下)29.5270.3基板焊层30.5280.2基板91.831.83图3-1IGBT有限元仿真模型确定模块的基本尺寸之后，将模型导入workbench中进行仿真操作。首先在操作栏拖入SteadyThermal模块，双击EngineeringData窗口进行模块材料的定义，需要用到的材料参数。完成材料定义后导入模型文件，并在Model模块完成各部分材料属性的设置，然后进行网格划分。表3-2IGBT模块材料参数材料密度(kg/m热膨胀系数(10−6泊松比热导率(W/(m∙K))比热J/(kg∙K)杨氏模量GpaSnAg74002.30.36422740Si23304.20.28150700130AlN32604.60.24150765311Cu8960170.3398390110Al2700210.3323790068图3-2IGBT模块网格划分图3-3键合线上的网格划分根据第二章计算公式，得到了IGBT芯片的功耗为206W,FRD芯片功耗为70W。转化为生热率则在IGBT芯片上施加6.31×109W/m3,FRD芯片4.53×10有限元模型在经过仿真后，得到的最终温度分布如图3-4，模块的最高结温为96.32℃，最高温度位于IGBT芯片上，最低温度在铜基板上。因为IGBT芯片是产热的来源所以其上的温度最高，而处在它旁边的FRD芯片虽然也产生了不少的热量，但由于温度比芯片低，所以在温度分布图上为黄色。并且可以明显的看到FRD芯片上的温度分布本应该和IGBT芯片温度分布一致，处在芯片的中心，但由于两者之间的热耦合作用，导致FRD芯片的结温分布靠近IGBT芯片的中心温度分布。衬板上铜层和基板的温度分布和IGBT芯片温度分布保持一致。在IGBT封装模块中，芯片产生的热量通过层状结构向下传递，并且在一定的范围内热量的传递主要时竖直向下的，这个温度分布图可以很好的说明这一点，并且由于基板下表面的对流换热系数够大，保证了IGBT芯片产生的热量可以及时发散出去。图3-4IGBT模块整体温度分布图(℃)图3-5基板温度分布图(℃)下图为键合线的温度分布，键合线的材料选为Al材质。键合线是连接IGBT芯片和FRD芯片的，是构成电气连接的通路。由于键合线和芯片表面直接焊接，而芯片的产热量够大，Al材料的热导率虽然较铜小，但还是比较大的，所以键合线上的最高温度只比芯片最高结温低了2℃，并且键合线上的温度分布有明显的区分。由于键合线的左边和芯片有两处键合的地方，可以看到整个键合线的左边区域的温度都非常高，越远离芯片温度越低，因为键合线的左边是和铜板相连接的，而铜板在模块中的作用是导热、导电，本身并没有损耗，所以在仿真的过程中是通过键合线向铜板导热，温度呈递减状态。图3-6键合线整体温度分布图(℃)图3-7单个键合线温度分布细节图(℃)从结温的角度分析，得出了模块的最高结温分布在IGBT芯片上，并且芯片上的温度呈集中分布，由于两个芯片都有一定的产热，芯片之间出现了热耦合，FRD芯片的温度分布靠近IGBT芯片，偏离中心位置。IGBT芯片对应的中心温度分布几乎沿着垂直路径，体现在焊层、衬板、基板的温度分布上。当有限元分析模型带有键合线时，可以明显的看到键合线上温度分布的不均匀性，由于键合线是部分和芯片进行接触的，所以只有在键合点处的温度很高，从芯片到铜板温度呈递减趋势。下面将从模块应力的角度对仿真结果进行分析，下面分别为芯片、焊层和衬板的应力分布图。其中模块的最大等效应力142Mpa，最大等效应力分布的位置为衬板。其中芯片、焊层和衬板最大等效应力分别为41.1Mpa、31.6Mpa、51Mpa，远小于该层材料的最大抗应力能力170Mpa、215Mpa、644Mpa，所以在该仿真下各层材料参数均在安全范围内，模块能正常的工作，所以证明了有限元模型的正确性。图3-8芯片应力分布图(Mpa)图3-9芯片焊层应力分布图(Mpa)图3-10铜衬板应力分布图(Mpa)下图为模块仿真过程中IGBT模块总的形变量，可以看到形变量最大的部分在铜基板上，虽然铜材料的热导率较高，导热性能好，使得铜基板在一些中小型功率器件中应用广泛，但由于其较大的热膨胀系数和较差的机械强度，大功率器件应用的反倒较少。明显从形变分布图中看出铜基板的变形量相对于其他部分是很大的，当铜基板出现变形后，和铜基板相连接的基板焊层可能会发生脱落、空洞。焊层的脱落和空洞会影响模块的传热路径，增大模块热阻，降低模块的可靠性。图3-11IGBT模块形变量分布图(mm)基板焊层的最大形变量出现在焊层偏离中心处，在第一章提到过IGBT芯片的温度呈中心分布，由于收到热耦合作用稍微有所偏移。焊层本身就是导热的重要途径，加上焊层对应位置的温度变化较大，导致变形较为严重。所以在封装模块的选择中要关注焊层的可靠性问题，要兼顾材料的机械强度和其他各层材料的适配度，以免出现分层的现象。图3-12基板焊层形变量分布图(mm)另一个导致封装失效的因素就是键合线的问题。最大的等效应力和形变量是在与芯片的键合处。在实际的IGBT器件中键合线的数量较多，且是并联状态。由于键合处的应力和形变量都较大，键合线本身容易脱落。多根键合线并联的可以有效的降低键键合点脱落所带来的模块可靠性下降的问题，并联状态下的键合线就算遇到某根脱落甚至断裂的情况也可以保证模块在一定时间内正常工作。引线键合技术是微电子封装领域内最重要的技术之一，引线键合根据类别可分为热压键合、超声键合和热压超声键合三种。在常用的功率模块中最常见的互联方法就是引线键合，大功率的IGBT模块一般采用超声引线键合将IGBT芯片和FRD芯片连接。本文中的材料用的是铝(Al)键合线，在前面提到了用铜(Cu)键合线可以在一定程度上提高模块的可靠性，但由于工艺等原因限制了铜(Cu)键合线的使用。多根键合线虽然都是连接芯片的通路，芯片上的温度而是呈中心分布的，所以键合线上的温度和应力的分布并不均匀导致了每根键合线的寿命是不一样，温度和应力波动越大的键合线的寿命就越短，所以在模块的设计和工艺操作过程中，应该注重键合线部分的连接，从而尽可能保证模块的可靠性。1.3单脉冲功率信号作用下的IGBT热效应分析在上节进行了恒功率信号对IGBT模块影响的仿真，详细分析了受恒定功率信号下模块的失效倾向、温度和应力的分布。在接下来仿真仿真中将给IGBT芯片施加单脉冲脉冲功率信号，不考虑FRD芯片的开通和关断，通过施加脉冲功率信号来探究对IGBT模块温度和应力的影响。施加脉冲功率大小为200W，以体生热率的方式施加到IGBT模块中，脉冲信号如图3-15，脉冲信号为1ms,占空比为0.5。图3-13功率200W,脉宽为1ms单脉冲信号图3-14单脉冲功率下IGBT芯片结温波动由于脉冲信号作用时间较短，IGBT芯片的结温波动过小，仅为1.5℃，于此同时IGBT芯片上的应力波动从0pa到最大的0.875MPa,虽然增长的幅度很大，但是由于芯片本身的极限抗拉能力达到几百MPa,所以应力的波动对于模块本身没有太多的影响。基于过短时间的脉冲功率信号作用效果有限，为了更加清楚和直观的放映出功率信号对模块的影响，将类比功率循环施加载荷，将脉冲信号的作用时间延长。为了探究不同作用时长的脉冲功率信号对于模块温度和应力累积的影响，将设置三组单脉冲功率，脉冲宽度分别为0.5s，1s，1.5s。脉冲功率信号的占空比均为0.5。图3-15不同作用时长的脉冲功率信号图3-16IGBT芯片结温波动从功率载荷的加载时间和芯片结温的波动来看，当功率信号持续作用在IGBT芯片上的时候，芯片的温度开始上升，由于环境温度设置为22℃，在刚开始施加载荷的时候由于本身温度较低，温度开始迅速上升，但上升的速度开始减缓，一直到功率信号消失，芯片的温度达到最高，功率载荷消失，芯片的温度开始迅速下降，先快后慢，和升温的过程刚好相反。当载荷作用时长为0.5s时，芯片的最高结温达到了61.6℃，当载荷作用时长为1s的时候芯片最高结温达到了65.879℃，当载荷作用时间为1.5s时芯片最高结温达到了72.697℃。随着载荷作用时间增大，模块的升温效果开始变得明显，这也就是IGBT模块在正常工作状态时，不停的开断进行热量的积累，模块整体温度在波动上升，最后达到一个相对稳定的状态，由于此处的功率载荷作用了一段时间就消失了，温度不断通过基板和环境进行热量的传递，所以模块在经过一段时间后温度又会回到室温。图3-19为不同脉冲功率作用下的IGBT芯片的应力变化曲线图，芯片焊层在经过一个周期的功率信号时，最大应力为42MPa-60MPa之间，均小于芯片所能承受的极限应力，应力的变化趋势与温度相同，当功率信号结束随着芯片温度的逐渐降低，芯片上的等效应力逐渐减小。从温度和应力的增长趋势来看，脉冲功率信号持续时间多1s，结温的波动增长了17%左右，而芯片的最大等效应力增加了40%作用。图3-17IGBT芯片的最大等效应力分布在功率信号的脉宽一定的情况下，器件内部的温升和应力变化会随着脉宽增加而增加，应力的增加幅度远大于结温的波动幅度。当然温度和应力的分布不能一直随着脉宽变大而变大。功率信号的幅值一定，脉宽越大，同时间内器件内部产生的热量就越大，但是模块是会通过基板和空气尽心对流换热的，模块的温度不能无限制的上升，在模块散发的热量和功率信号作用在IGBT芯片上产生的热量相等时，模块就达到了稳态。1.4周期脉冲功率信号作用下的IGBT热效应分析由单脉冲功率信号可知，当周期性功率信号施加在IGBT芯片上时，芯片先产生大量的热引起模块温度的上升，同时模块通过基板进行散热，模块温度同步下降。在短时间内由于产生的热量较大，而散热需要一定的时间且不能将所有的热量全部通过对流换热交换到空气中，所以模块的温度应该时波动上升，当经过一定周期的功率信号后模块达到稳态。为了验证周期功率信号带来的模块结温和应力变化，选取周期为1s，占空比为0.5s大小保持不变的脉冲功率信号。图3-18周期脉冲信号示意图图3-19IGBT芯片结温波动图图3-20键合线结温波动图可以看到，在脉冲功率信号施加第6-7个周期时，IGBT模块达到了稳态，芯片上的最高结温达到了71.17℃，此后结温基本维持不变。键合线由于和芯片焊接，且本身的热导率相对较大，所以芯片的热量随着键合处传到了键合线的各个部分，从图中可以看到键合线上的温度波动和芯片的温度波动保持一致。温度仅仅低5℃左右。和仿真前分析的状态一致，模块的各个部分的温度都随着芯片的结温波动而发生了改变。当时间超过10s，施加的功率载荷小时候，芯片的温度便开始下降，先快后慢。直至达到环境温度。图3-18为IGBT芯片的热应力变化分布图。由于功率信号的作用时间相对一般的功率循环时较短，且网格划分较密，计算量较大，导致热应力分布图中出现了平台，最理想的应力分布图应该是接近光滑的变化的曲线。IGBT芯片在经过一定时间功率信号的冲击，芯片表面的热应力分布范围从10MPa到60MPa之间，在经过6-7个周期，芯片的最大热应力逐渐稳定，但是热应力总体呈上升趋势，这也就解释了在IGBT功率模块进行功率循环时的热应力累积效应。图3-21IGBT芯片热应力分布图图3-19为键合线上的应力分布图，可以明显看出在键合线与芯片焊接的地方，热应力是最大的，距离芯片键合处的距离越远热应力越小，键合线上的热应力波动幅度较大，焊接处及其脆弱，而应力的变化率几乎为600%，键合处不断的收到热应力的冲击，所以IGBT键合线的脱落成为了封装失效的重要原因之一。键合线本身就是金属材料通过引线键合技术与芯片键合的，且材料一般为