摘要：为了查明封装疲劳对绝缘栅双极型晶体管 ( 富士IGBT) 热特性的影响, 从封装结构的角度分析了焊料层空洞对 富士IGBT器件热稳定性的影响规律。首先建立了 富士IGBT芯片封装的有限元模型, 然后结合传热学分析了焊料层空洞大小、位置以及分布对 富士IGBT芯片最高结温的影响规律并进行了仿真, 最后基于加速寿命实验进行了验证。结果表明:空洞率相同时, 芯片对角线上的空洞对芯片最高结温的影响最大;位置相同时, 芯片顶点位置空洞大小的变化对芯片最高结温的影响最大;2种情况下, 单个空洞的影响均大于相同空洞率下的空洞分布影响, 而空洞分布中的中心集中分布对芯片最高结温的影响最大;芯片最高结温随空洞率增大而近似呈线性关系增大, 芯片结壳热阻与空洞率也近似呈线性关系增大, 验证了理论分析的正确性。研究结论可从封装疲劳的角度对 富士IGBT尽限应用提供指导。
随着电力电子变能装置功率等级的提升, 核心电力电子器件的芯片封装密度提高, 器件的芯片结温越来越高, 对器件的热可靠性提出了更加严苛的要求, 因此封装失效成为一个广泛关注的问题[4-5]。功率器件的封装实现了内部结构与外部环境之间的电气、热和机械连接, 并为器件提供良好的散热途径, 保障了器件维持良好的热稳定性, 对提高功率器件封装可靠性具有重要作用, 但焊料层是器件封装结构的薄弱环节之一。因此, 有必要就焊料层缺陷对器件热稳定性进行研究。
焊料层空洞对富士IGBT器件热稳定性的影响
[6-9], 进而又对传热特性产生影响, 造成器件安全工作区缩小, 严重影响器件的热稳定性。
[10-13]。张小玲等人主要采用有限元方法, 分析了芯片焊料层厚度、空洞等因素对大功率器件封装温度场[18]的影响;虽然也对空洞对封装热特性影响机理进行了描述, 但各有侧重, 缺少在同一工况下的系统完整的机理描述和建模分析。
1 有限元建模分析
本文以某1 200 V/50 A半桥 富士IGBT器件为参考, 构建7层结构 (如图1所示) 的有限元热仿真模型。 富士IGBT模型材料参数如表1所示, 其中陶瓷覆铜板 (direct bonded copper, 简称DBC) 上铜层不规则, 以实际模块的封装形状和尺寸为准。由于半桥结构对称, 所以选取模块的1/2进行建模, 忽略铝线和其他接线端子, 如图2所示。
[19]。
图1 富士IGBT封装7层结构示意图Fig.1 富士IGBT package schematic of seven layers
