IGBT模块封装的热性能分析.pdf

9 收稿日期：2012-03-05机车电传动ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES 2,2013Mar.10,2013 2013 年第 2 期 2013 年 3 月 10 日I G B T模块封装的热性能分析丁杰，唐玉兔，忻力，张陈林，胡昌发（南车电气技术与材料工程研究院，湖南 株洲412001）作者简介：丁杰(1979-)，男，硕士，工程师，现主要从事变流器结构仿真和热仿真的科研工作。摘要：利用ANSYS有限元分析软件建立了IGBT模块封装的有限元模型，分析了导热硅脂厚度、当量换热系数、基板厚度和材料、焊料厚度和材料、衬板厚度和材料、铜层厚度等因素对IGBT模块封装热性能的影响，并探讨了热扩展对芯片结温的影响。研究结果可为优化IGBT 模块封装提供参考。关键词：IGBT 模块；热性能；热扩展；热传导；当量换热系数；有限元分析中图分类号：TN34 文献标识码：A 文章编号：1000-128X(2013)02-0009-04Thermal Performance Analysis of IGBT Module PackagingDING Jie，TANG Yu-tu，XIN Li，ZHANG Chen-lin，HU Chang-fa(CSR Research of Electrical Technology&Material Engineering,Zhuzhou,Hunan 412001,China)Abstract:A finite element model of IGBT module packaging was constructed by utilizing FEA software of ANSYS.Effect of differentgrease thickness,equivalent heat transfer coefficient,base plate thickness and material,solder thickness and material,substrate thickness andmaterial,copper layer thickness on thermal performance of IGBT module packaging were studied,as well as chip junction temperatureaffected by thermal spreading.The obtained conclusions might help to optimize packaging design of IGBT module.Key words:IGBT module;thermal performance;thermal spreading;heat conduction;equivalent heat transfer coefficient;finite elementanalysis技术专题0 引言IGBT结合了MOSFET与GTR的优点，具备了输入阻抗高、速度快、热稳定性好、电压驱动型、通态压降低、高电压、大电流等特点。随着新技术、新工艺的不断突破，功率等级的提升，IGBT的应用领域得以迅速扩展。与此同时，IGBT模块内部的发热量也越来越高。文献1指出，过热给电力电子器件带来一系列影响：明显的温度波动将导致封装组件或材料的疲劳断裂，温度改变会引起材料的属性变化，由此造成的电容量、阻抗值等的改变将影响电气信号的传输特性。IGBT模块失效形式主要表现为因各种材料热膨胀系数不匹配，明显的温度波动情况下产生的周期性热应力和过热情况下产生的高热应力，导致了键合引线键合点脱落及焊料层剥离。因此，IGBT模块封装的热设计和为IGBT模块的应用提供良好的散热条件，是至关重要的。IGBT模块应用层次的热设计已经开展了大量的研究，而IGBT模块封装的热设计研究主要集中在英飞凌、ABB、三菱、富士、Dynex等半导体公司。文献2研究了导热硅脂对IGBT模块温度和热阻的影响；文献3利用ANSYS分析了当量对流换热系数、DBC尺寸、铜基板尺寸对结壳热阻的影响；文献4利用ANSYS对IGBT键合点脱落时的温度分布特性进行了数值模拟；材料、散热条件等因素对多组件芯片（MCM）热性能影响已有较多研究5-7。从文献调研的结果可知，综合分析导热硅脂、基板、焊料、衬板、铜层等因素的研究相对较少。鉴于此，本文利用ANSYS对IGBT模块封装的上述因素进行热性能分析，可为IGBT模块封装的优化设计提供参考。1 I G B T 模块构造在一个IGBT模块里，数个功率半导体芯片（IGBT芯片和二极管芯片）被集成在一块共同的基板上。这些芯片的底面被焊接于（或被粘贴于）一块衬板（绝缘 10 机车电传动2013 年基片）的金属化表面。该衬板的作用是在保证良好导热性能的同时还提供了相对于模块基板的电气绝缘。芯片的上表面被金属化，它的电气连接可以采用细的铝制键合线用键合的方式来实现。常用的基片有：直接铜熔结DCB（Direct Copper Bonding）、主动金属钎焊AMB（Active Metal Brazing）、绝缘金属基片IMS（Insulated Metal Substrate）、多层绝缘金属基片（Multilayer-IMS）和厚膜铜TFC（Thick Film Copper）等。常用的衬板绝缘材料有：氧化铝（Al2O3）、氮化铝（AlN）、氧化铍（BeO）、碳化硅（SiC）、四氮化三硅（Si3N4）、环氧树脂、聚酰亚胺等。图1是某IGBT模块的截面示意图。表1 列出了IGBT 模块相关材料的热性能参数。值得注意的是，不同元器件厂商和文献提供的材料参数会略有区别，某些材料热性能在不同的温度下也会有较大的变化。2 分析模型本文选取某封装类型的IGBT模块作为分析对象，该模块内部包含了24个13 mm13 mm IGBT芯片和12个13 mm13 mm二极管芯片（FRD），基板尺寸为187 mm137 mm。AlSiC基板为5 mm厚，基板焊料为0.2 mm厚，铜层1为0.3 mm厚，AlN衬板绝缘材料为1 mm厚，铜层2为0.3 mm厚，衬板焊料为0.15 mm厚，芯片为0.5 mm厚。下文将这些材料和厚度参数作为基本变量，通过改变其中的变量进行对比分析。采用ANSYS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和处理：由于铝键合线的直径很小，约0.3 mm，可认为芯片的热量不沿铝键合线传导，完全由其下方的衬板焊料导出；认为焊料层中无缺陷（空洞、杂质等）存在，所有的焊料层都是均匀的；芯片产生的热量大小取决于主电路参数和控制方式，本文不探讨具体热量的计算，采用假定某一热量数值，并作为均匀体积热源施加在芯片上的方法；IGBT模块被硅凝胶灌封保护，硅凝胶的导热系数很低0.15W/(m)，忽略功率端子的传导作用，认为热量只能通过IGBT 模块基板向外界传热；带散热器的模型中，入口空气温度40、流速6 m/s，散热器翅片上的对流换热系数分布（如图2所示）由FLUENT软件计算得到后施加在ANSYS有限元模型中，并考虑导热硅脂的影响；不带散热器的模型中，IGBT模块基板底面施加当量对流换热系数，环境温度取40，不考虑导热硅脂的影响；忽略热辐射；不考虑温度对材料热性能参数的影响；网格划分为六面体单元，网格尺寸为0.5 mm，ANSYS单元类型为Solid70。图3（a）是IGBT芯片热量QIGBT=666.67 W，二极管芯片热量QFRD=333.33 W，导热硅脂厚度100m时的温度分布情况。由于y轴的正方向为冷却空气流动方向，入图 1IGBT 模块截面图 2对流换热系数(a)考虑散热器和接触热阻的情况表1 材料热性能参数材 料芯 片Ag/Sn 焊料Sn/Pb 焊料纳米银焊膏铜AlNAl2O3BeOSiCAlSiCAl导热硅脂导热系数/W(m)-115733502408395175272502701802381热膨胀系数/10-6-14.121.724174.66.983.77.423(b)不带散热器的情况图 3温度分布 11 丁杰，唐玉兔，忻力，张陈林，胡昌发：IGB T 模块封装的热性能分析第 2 期口段的热边界层较薄，局部对流换热系数比充分发展段的高（见图2），有限元模型和边界条件沿x轴对称，因此IGBT模块上的温度分布沿x轴对称，最高温度出现在y轴正方向上的二极管芯片，散热器上的温度最低。图3（b）是QIGBT=666.67 W，QFRD=333.33 W，IGBT模块基板底面的当量换热系数为500 W（m2）时的温度分布情况，最高温度出现在二极管芯片上，有限元模型和边界条件沿x轴和y轴对称，因此IGBT模块上的温度分布也沿x轴和y轴对称。3 热性能分析3.1 导热硅脂厚度IGBT模块在使用时，需要严格按照技术要求均匀涂抹一层薄薄的导热硅脂（一般厚为50100m），因为空气的导热系数约为0.026 W/(m)，远低于铜和铝，也低于导热硅脂，因此，导热硅脂的使用非常关键，可以避免接触的界面间隙中存在空气填充而未完全接触，有效减小IGBT模块与散热器的接触热阻。图4是改变导热硅脂的厚度对芯片结温的影响，可看出厚度从0300m时，结温增加了12，结温的增加与导热硅脂的厚度基本上呈线性关系。3.2 当量换热系数和损耗IGBT模块工作的过程中必须采取有效的散热措施，有强迫风冷、水冷、热管散热、微通道冷却等多种形式。从图3的温度对比可以看出，带与不带散热器的温度分布存在区别，主要原因在于散热器翅片上的对流换热系数分布并不均匀，导致不同部位的散热能力有所不同，散热器上的温度分布不均匀，从而体现在IGBT模块基板底面等效的散热效果不同。由于散热条件和均温性的组合甚多，为便于后面的对比分析，将不带散热器模型的散热条件假设为当量换热系数。带有续流二极管的IGBT模块，就其在额定电流下可散发的损耗而言，主要是为逆变工作状态而设计的（如功率因数0.61）。在此工作状态下，二极管的通态损耗以及总损耗远比IGBT要低，所以，二极管损耗的设计值也远低于IGBT，IGBT/二极管损耗设计比约为(23):19。IGBT模块在应用时可作为逆变的桥臂，也可作为四象限脉冲整流的桥臂，还可作为斩波相的桥臂，再加上主电路和控制方法的不同，IGBT芯片和二极管上的热量组合非常多。为便于对比分析，选择典型的情况：（a）QIGBT=666.67 W，QFRD=333.33 W；（b）QIGBT=1 000 W，QFRD=0 W；（c）QIGBT=0 W，QFRD=1 000 W。图5是改变损耗和当量换热系数的结温变化曲线，坐标轴采用双对数表示。当量换热系数从10 增加到100 W/(m2)时，最高结温急剧降低，对模块的散热效果非常明显，但在这样的散热条件下，结温仍高出允许的温度限制（125或150）。当量换热系数从100 增加到1 000 W/(m2)时，结温减小的速度趋于缓和。当换热系数达到10 000 W/(m2)以后，增加当量换热系数对结温的影响很小。一般而言，获得高的当量换热系数的散热条件，付出的代价也将更高。在安全应用IGBT模块时，还需要结合实际的经济情况选择合适的散热条件。从图中还可以看出，典型情况（c）的结温典型情况（b）典型情况（a），因为相同的热量均匀分布在不同的体积内，单位体积的热流密度不同，典型情况（c）的体积热流密度最高，结温也最高。3.3 基板厚度和材料图6是QIGBT为666.67 W，QFRD为333.33 W，IGBT模块基板底面的当量换热系数为500 W/(m2)时，改变基板厚度和材料对结温的影响。从图中可以看出，AlSiC基板的导热系数Al基板Cu基板，AlSiC基板的模块结温Al基板Cu基板。基板材料的导热系数越高，越有利于模块的散热。还可以看出随着基板厚度的增加，模块的结温逐渐降低，下降趋势减缓。这一现象与传统上的导热热阻有些相悖（为壁厚，A为面积，为材料导热系数），增加，导热热阻将增大。针对这种情况，有文献10-11作了研究，主要是由于当电子器件面积比散热器底板表面面积小很多，结果使得底板整个面积上呈现非等温分布，在热源区域有一个更高的局部温度，这种情况下就导致了扩展热阻（thermal spreadingresistance，也称扩散热阻）的产生。文献3就铜基板厚度对IGBT模块结壳热阻的影响进行了研究，也得到了与本文一致的变化趋势。为了进一步说明热扩展的重要性，假设芯片直接贴在AlSiC基板上，忽略焊料、铜层、AlN衬板等，发现其结温要高出完整IGBT模块的结温。减小扩展热阻最佳的方法是热源与散热器尺寸匹配，然而芯片的尺寸不便于增大，减小散热器的尺寸不利于散热，因为散热器尺寸庞大的目的是为了获得较大的换热面积12。扩展热阻随着发热源尺寸的增加而减小，导热热阻随着材料层数和厚度的增加而增大，因此，通过封装材料的合理组合来优化扩展热阻和导图 4导热硅脂厚度对结温的影响图 5当量换热系数和损耗的影响图 6基板厚度和材料对结温的影响 12 机车电传动2013 年热热阻，对高热流密度芯片的散热至关重要。另一方面，尽管Cu基板具有良好的导热性能，但考虑到与硅的热膨胀系数失配较严重，这限制了其在高压大功率IGBT模块中的应用。AlSiC具有高弹性模量、高热导率、低密度、可通过SiC体积分数和粘接剂添加量等来调整膨胀系数等特点，AlSiC在IGBT模块基板上得到了广泛应用。3.4 焊料厚度和材料IGBT模块封装中含有2个焊料层：IGBT、FRD芯片与衬板之间的焊层；衬板与基板之间的焊层。焊料层作为热量传递的通道，而且在温度循环过程中承受芯片与衬板、衬板与基板之间因热膨胀系数不匹配而产生的热应力，保护芯片免受机械损伤。图7 和图8 分别是衬板与基板焊料厚度/材料对结温的影响，由于Ag/Sn 焊料的导热系数低，随着焊料层厚度的增加，结温随之增高。纳米银焊膏的导热系数高，随着焊料层厚度的增加，结温随之降低。Sn/Pb焊料应用在衬板上时，结温稍有上升，应用在基板上时，结温稍有下降。这说明了热扩展热阻和导热热阻在发挥作用，导热系数较低时，导热热阻占主导作用；导热系数较高时，导热热阻的作用次之。从温度变化的幅度来看，焊料层的厚度和材料对IGBT模块热性能的提升有限。结合IGBT模块焊接工艺，需要关注的重点应放在提高焊接层质量以及降低焊接层的空洞率上。3.5 衬板厚度和材料图9 是衬板厚度和材料对结温的影响，Al2O3的导热系数27 W/(m)很小，随着衬板厚度的增加，结温升高。其余3种材料的导热系数较高，随着衬板厚度的增加，结温降低。在几种材料中，BeO、BN、SiC、AlN导热性能较好。BeO因制造过程中有很大的毒性，在应用中受到限制；BN目前造价昂贵，工业化生产还未完善；SiC属半导体材料，导热率虽然较高，但其绝缘强度较低；Al2O3因其优良的机械、电气性能、资源丰富、价格低廉，应用较多；新近开发的AlN具有较高的导热系数，热膨胀系数与硅匹配良好，绝缘强度和机械强度与Al2O3相近，AlN在现今的电力电子器件封装中迅速得到广泛的应用13。3.6 铜层厚度图10是铜层厚度对结温的影响，由于铜的导热系数高，热扩展作用使得结温随铜层厚度的增加而降低。4 结语本文通过建立IGBT模块封装的有限元仿真模型，综合分析了导热硅脂、基板、焊料、衬板、铜层等厚度和材料对IGBT模块热性能的影响。研究结果表明：导热硅脂对结温的影响很大，结温的增加与导热硅脂的厚度基本上呈线性关系；热扩展对不同厚度和材料导热系数的变化与组合的影响非常大，优化扩展热阻和导热热阻对高热流密度芯片的散热至关重要；随着基板厚度的增加（210 mm），结温逐渐降低，下降趋势减缓；焊料层的厚度和材料对结温的影响较小，提高焊接层质量以及降低焊接层的空洞率是其关注的重点；随着衬板厚度的增加（0.52.5 mm），AlN材料的模块结温逐渐降低，Al2O3材料的模块结温升高；随着铜层厚度的增加（0.10.7 mm），结温逐渐降低；结合结温与热应力，解决芯片布局和不同材料层的热膨胀系数匹配问题，预测功率循环寿命和热循环寿命等，将是接下来研究IGBT模块封装优化设计的方向。参考文献：1 陈明，胡安,胡宾礼.绝缘栅双极晶体管失效机理与寿命预测模型分析 J.西安交通大学学报，2011，45(10)：65-71.2 S Narumanchi,M Mihalic,K Kelly.Thermal interface materialsfor power electronics applications J.National RenewableEnergy Laboratory Conference Paper,2008.3 余小玲.电力电子集成模块及新型翅柱复合型散热器的传热性能研究 D.西安：西安交通大学，2005.4 郑利兵，韩立，刘钧，等.基于三维热电耦合有限元模型的IGBT 失效形式温度特性研究 J.电工技术学报，2011，26(7)：242-246.5 徐龙潭.电子封装中热可靠性的有限元分析 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.6 杨桂杰，杨银堂，李跃进.多芯片组件热分析技术研究 J.微电子学与计算机，2003，7：78-80.7 陈云，徐晨.有限元分析软件ANSYS在多芯片组件热分析中的应用 J.电子工程师，2007，33(2)：9-11.图 9衬板厚度和材料对结温的影响图 10铜层厚度对结温的影响图 8基板焊料厚度和材料对结温的影响图 7衬板焊料厚度对结温的影响（下转第3 4 页）34 机车电传动2013 年合成刚度测试，得到15组数据，数据处理结果见表1。图 7一系横向合成刚度测试改进方案图 6一系垂向、纵向合成刚度测试方案表1一系垂向、横向、纵向合成刚度测试结果表5 结语根据受力关系、几何变形关系以及能量守恒推导了轨道车辆一系悬挂系统的各向合成刚度的计算公式。该计算公式不仅适合轨道车辆一系弹簧相对于轴箱中心偏置安装的转臂式定位，而且适合于一系弹簧相对于轴箱中心中置安装的转臂式定位。这些计算公式的推导能为设计和分析轨道车辆一系转臂式定位刚度提供参考依据。轨道车辆一系垂向合成刚度主要由一系弹簧决定，其横向刚度对其影响较小，结构参数对偏置方式的刚度影响较为显著，但对中置方式影响较小；一系横向刚度主要由橡胶关节横向刚度决定，一系弹簧的横向刚度能产生较小的作用；一系纵向刚度主要由橡胶关节径向刚度决定，一般可忽略其他因素。橡胶关节应具有低的扭转刚度和偏转刚度，同时必须承受垂向、横向和纵向力。疲劳试验时应同时考虑其径向和轴箱加载。试验结果表明：一系垂向合成刚度、一系纵向合成刚度的试验值与理论值相吻合，误差较小；但一系横向合成刚度的测量结果偏差很大。主要原因是试验工装变形大以及刚度试验台移动横梁与支座之间存在间隙，加载时移动横梁发生偏转以及变形，导致附加横向位移产生。图5所示的横向刚度试验方案可进一步改进，改进方案见图7。该方案以带有轴箱轴承的一个整体轮对作为试验对象，且该方案已应用在哈萨克斯坦机车类似的转臂结构试验上，一系横向合成刚度的试验精度可控制在10%以内。参考文献：1 王伯铭.城市轨道交通车辆工程 M .成都：西南交通大学出版社，2007.2 段华东.ZMA120 型转向架一系悬挂垂向刚度分析 J.机车电传动，2010(4).3 段华东，陶功安.一系螺旋弹簧偏置的转臂定位方式的刚度研究 J.铁道车辆，2011(11).试验内容一系垂向合成刚度一系垂向合成刚度一系垂向合成刚度一系纵向合成刚度(AW0)一系纵向合成刚度(AW0)一系纵向合成刚度(AW0)一系纵向合成刚度(AW2)一系纵向合成刚度(AW2)一系纵向合成刚度(AW2)一系纵向合成刚度(AW3)一系纵向合成刚度(AW3)一系纵向合成刚度(AW3)一系横向合成刚度一系横向合成刚度测试结果/Nmm-1第 1 组第 2 组第 3 组第 1 组第 2 组第 3 组第 1 组第 2 组第 3 组第 1 组第 2 组第 3 组第 1 组第 2 组1 000.351 003.75997.1416 08017 25017 15014 25414 70114 55615 25114 96115 4263 6703 450理论值/Nmm-1997.7997.7997.716 90016 90016 90016 90016 90016 90016 90016 90016 9008 3508 350刚度误差率/%0 0 0.270 0 0.610-0.060-4.900 0 2.070 0 1.50-15.66-13.01-13.87-9.760-11.470-8.72-56.00-58.708 Bai J G,Zhang Z Z,Calata J N,et al.Low-temperature sinterednanoscale silver as a novel semiconductor device-metallizedsubstrate interconnect material J.IEEE Tractions on Com-ponents and Packaging Technology,2006,29(3)：589-593.9 Ulrich Nicolai,Tobias Reimannn.现代功率模块及器件应用技术（2）J.电源技术应用，2005，8(2)：56-62.10N B Nguyen.Properly implementing thermal spreading will cutcost while improving device reliability J.International Sympos-ium on Microelectronics,1996，385-386.11Gordon N Ellison.Maximum thermal spreading resistance forrectangular sources and plates with nonunity aspect ratios J.IEEE Transaction on Components,Packaging and ManufacturingTechnology,2003,26(2)：439-454.12 杨双根.某固态组件热技术研究 D.南京：南京航空航天大学，2006.13徐思华，徐传骧，崔秀芳.陶瓷覆铜DCB 及其应用 J.电子元器件应用，2001，3(12)：35-38.（上接第1 2 页）