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1、525电力电子技术62000年第6期2000.12IGBT模块封装热应力研究XAStudyonPackagingThermalStressofIGBTModules北京工业大学王彦刚武力崔雪青吴武臣(北京100022)苏黎士工业大学P.JacboM.Held(瑞士CH-8092)摘要:IGBT模块封装多层结构的热不匹配将产生热应力从而影响器件可靠性。给出了IGBT模块热应力模拟结果及减小硅芯片热应力的方法,并计算出模块封装最佳参数及热应力与温度的关系,上述结果与温度循环实验结果一致。Abstract:Th
2、ermalmismatchinIGBTpackaging,becauseofitsmultiplayerstructure,willresultinthermalstress,whichaffectsthelong-termreliabilityofdevices.ThispaperstudiesthetheramalstressanalyzingmethodandthewaytoreducethestressdevelopedinIGBTchips.Thedistributingvaluesofther
3、malstressinIGBTpackagingandtheopetimalparameterofmodulespackagingforreducingchip.sthermalstressareprovidedinthispaper.Thermalcyclingtestresultssupportthetheoreticalstudyresults.叙词:热应力封装可靠性/绝缘栅双极晶体管模块Keywords:thermalstress;packaging;reliability;IGBTmodule1
4、引言绝缘栅双极晶体管(IGBT)是国外80年代中期研制成功的新一代电力电子器件。作为高压大功率开关器件,功率IGBT模块一般被用于电力传动装置,例如地铁、电力机车及电梯上,这些场合都需要系统具有三十年以上的使用寿命。在这期间,IGBT67模块将经受10~10次功率循环,因而要求模块具[1]有非常高的可靠性。实践证明,模块热应力是影响模块可靠性的主要因素。图1IGBT模块的多层结构如果模块封装采用的是金锑类硬焊料,则模块本文研究了IGBT模块的热应力行为及其对可靠性的影响,利用模块热应力模型对模块内部热应封
5、装系统的力学行为属弹性力学范畴,各层材料所力进行了计算机模拟,得到了模块内部热应力数值受的热应力及模块系统的弯曲变形可由式(1)~式[2](3)来表征:分布解以及封装材料、温度和应力分布间的关系,得n到使芯片所受应力最低的最佳结构设计。同时,利2Fi=0(1)i=1用温度循环实验准动态地观测到焊料层空洞、裂纹3nEitinitj1形成和扩大的失效过程,从而有力地支持了理论计12ri=211-L=i=21Fi(j=21tj-)(2)i2算结果。Fi(1-Li)tiAi$Ti+-2热应力模拟Eiti2rIGB
6、T模块封装具有一个不同材料组成的多层Fi+1(1-Li+1)ti+1=Ai+1$Ti+1++结构(Sandwich),如图1所示。Ei+1ti+12r由于各层材料不同,其热力学行为也不相同。(3)当模块工作在开关状态时,随着模块工作温度的变式中ti)))第i层材料的厚度Ei)))第i层杨氏模量化,模块三明治结构中各层材料的热失配将导致热Ai)))第i层线性膨胀系数应力的产生,从而使模块焊料发生热蠕变热疲劳失Li)))第i层泊松比效及弯曲变形,即人们所称的双金属效应。X国家自然科学基金资助项目(696960
7、35),北京市自然科学基金资助项目(4982006)IGBT模块封装热应力研究53L)))器件的尺寸参数无外界应力作用下,系统处于应力平衡状态。式(2)Fi)))第i层所受的剪切力保证系统力矩平衡,即各层材料的弯曲变形方向一n)))多层结构的总层数致。式(3)意味着结构内各相邻材料的界面处发生r)))结构总弯曲变形的曲率半径的位移连续。求解以上描述多层结构系统热应力行T$i)))第i层所受的温度变化为的方程组,可以得到以下解析表达式:式(1)表示多层结构中各层应力总和为零,即在nEinitiEktk622
8、2tj-t12(Ak$Tk-Ai$Ti)1i=11-Lij=1k=11-Lk=3(4)rnEnini-1k-1itiEjtjEktk22-322tj-ti2tk-ti-22tl+22tli=11-Lij=11-Ljj=1k=11-Lkl=1l=1Eni-1j-1nitiL1Ejtjtj-tiEjtjFi=n2-2tk+2tk+2(Aj$Tj-Ai$Ti)(5)Ejtjrj=11-Lj2k=1k=1j=11-Lj(1-Li)2j
