IGBT模块封装热应力研究

第3 O卷第 9期 2 0 1 3年 9月

机

电

工

程

V01 . 3 0 No . 9 Se p .2 01 3

J o u r n a l o f Me c h a n i c a l& E l e c t i r c l a En g i n e e i r n g

D O I: 1 0 . 3 9 6 9/ j . i s s n . 1 0 0 1— 4 5 5 1 . 2 0 1 3 . 0 9 . 0 2 7

I GB T模块封装热应力研究冰翟超，郭清，盛况(浙江大学应用电子系，浙江杭州 3 1 0 0 2 7 )摘要：为解决绝缘栅双极型晶体管 ( I G B T )模块在实际应用的可靠性提高、预测模块的寿命等问题，将有限元仿真技术应用到实际可靠性温度循环试验中。开展了多层结构的热应力理论分析，建立了层状结构的最大热应力和 I G B T模块在实际应用中分层率之间的关系，提出了“通过计算模块在工作环境下的温度变化产生的最大热应力来预测模块实际使用过程中分层率的变化情况”的方法。进行了 I G B T模块的温度循环可靠性试验。试验结果表明，通过利用最大热应力来预测 I G B T模块分层率的方法与实验结果相

吻合，计算结果比较精确。 关键词：绝缘栅双极型晶体管；热应力；可靠性；有限元；温度循环中图分类号： T N 3 2 3 . 6; T M7 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 1— 4 5 5 1 ( 2 0 1 3 ) 0 9—1 1 5 3— 0 6

Re s e a r c h o f t h e r ma l s t r e s s i n I G BT mo d ul e

Z H A I C h a o, G U O Q i n g, S H E N G K u a n g( C o l l e g e o f E l e c t i r c a l E n g i n e e r i n g, Z h e j i a n g U n i v e r s i t y, Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 7, C h i n a )A b s t r a c t: I n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e m s o f i mp r o v i n g r e l i a b i l i t y o f 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 ( I G B T)mo d u l e i n p r a c t i c a l

a p p l i c a t i o na n d p r e d i c t i n g l i f e o f I GB T mo d u l e,f i n i t e e l e me n t na a ly s i s t e c h n o l o g y w a s u s e d i n t h e t e mp e r a t u r e c y c l e s e x p e i r me n t .A f t e r t h e a n ly a s i s o f

t h e t h e r ma l s t r e s s o f t h e mu h i l a y e r s t r u c t u r e,t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n he t ma x t h e m a r l s t r e s s o f mu h i l a y e r s t r u c t u r e a n d d e t a c h me n t o f I GB Tmo du l e wa s e s t a bl i s h e d. A me t h o d wa s p r e s e n t e d t o p r e d i c t d e t a c hme n t o f I GBT mod u l e b y c lc a ul a t i n g t he ma x he t r ma l s t r e s s i n pr a c t i c l a a p—

p l i c a t i o n .T h e I GB T mo d u l e t e mp e r a t u r e c y c l e wa s t e s t e d .T h e e x p e ime r n t a l r e s u l t s s h o w ha t t,t he me t h o d o f p r e d i c t i n g d e t a c h me n t o f I GB Tmo d u l e b y c a l c u l a t i n g t h e ma x t h e ma r l s t r e s s i s a c c u r a t e .

Ke y wo r d s: 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 ( I G B T ); t h e r m a l s t r e s s; r e l i bi a l i t y; i f n i t e e l e m e n t a n a l y s i s; t e m p e r a t u r e c y c l e

大量的研究工作，取得了很多研究成果，认清了模块的

0 引

言I G B T模块因具有驱动功率小、开关速度较快、容

主要失效模式，改进了可靠性仿真评估方法和可靠性实验手段，完善了器件的制造工艺，从整体上提高了 I G B T模块的可靠性，并在针对焊锡疲劳现象分析的基础上提出了大量模块寿命预测模型： C o in f . Ma n s o n、S o l o mo n、 E n g e l m a i e r和 Mi n e r 分别提出了基于塑性应变的疲劳模型； K n e c h t和S y e d _ 4刮分别提供了不同

量大的特点而广泛应用在电力电子技术中，在较高频率的大、中功率中占据主导地位。I G B T模块应用的电力传动装置上，通常要求整个系统使用寿命较高，在其工作期间， I G B T模块一般要经受数百万次开关工作，

蠕变程度的疲劳模型； D a s g u p t a给出了基于全部应变

因而要求器件具有非常高的可靠性。近年来，研究人员对 I G B T模块的可靠性进行了收稿日期： 2 0 1 3一O l一1 0

能的模型，而L i a n g认为基于塑性应变能的模型更精确， H e i n r i c h和 D a r v e a u x则认为能量密度要比单纯的

基金项目：国家高技术研究发展计划 (“ 8 6 3”计划 )资助项目( 2 0 1 1 AA 0 5 0 4 0 2 ) 作者简介：翟超( 1 9 8 7一),男，黑龙江穆棱人，主要从事电力电子器件封装结构、应力分析方面的研究. E— m a i l: 2 0 1 0 1 3 5@z j u . e d u . a l l 况，男，教授，博士生导师. E— ma i l: s h e n g k@z j u . e d u . c n

通信联系人：盛