(2.48)--金属构件失效分析.ppt

基于瞬态热阻的基于瞬态热阻的 IGBTIGBT焊料层失效分析焊料层失效分析目录：目录：1.IGBT 模块的焊料层模块的焊料层失效失效2.2.基于瞬态热阻的焊料层失效分基于瞬态热阻的焊料层失效分析的仿真析的仿真分析分析3.3.基于瞬态热阻的焊料层老化分基于瞬态热阻的焊料层老化分析的析的试验验证试验验证1IGBT 模块的焊料层失效模块的焊料层失效1.IGBT 1.IGBT 模块封装模块封装失效机理失效机理 IGBT 模块的封装是模块的封装是层压式层压式结构，其结构，其封装由封装由 7 层材料层材料压制而成，包含压制而成，包含芯片焊芯片焊料层料层和和 DBC 焊料层焊料层两两层焊料层焊料层，其结层，其结构如图构如图 1 所所示示。与与其它相邻层之间其它相邻层之间热膨胀系数热膨胀系数不匹不匹配程度相比，焊料层与相邻层的配程度相比，焊料层与相邻层的热膨胀热膨胀系数差异更大，加之焊料层材料更系数差异更大，加之焊料层材料更脆弱，脆弱，焊焊层更易层更易疲劳老化疲劳老化，随着焊料层裂纹的，随着焊料层裂纹的萌生、扩展，萌生、扩展，结温结温温升温升不断增加，引线不断增加，引线承受的承受的热应力热应力加剧，导致加剧，导致引线引线断裂、脱断裂、脱落，直至模块丧失工作落，直至模块丧失工作能力。能力。文献指出文献指出当结温当结温波动波动Tj100K时容易时容易发生引线发生引线相关的失效，相关的失效，而而Tj0.0005Ws/作为结构函数的分离判据，确定结构函数曲线分离时的热阻值为0.52/W，该分离点对应的是IGBT 模块铜基板与导热片的相接处，此时的热阻值应是IGBT模块的结-壳热阻，而数据手册提供的结-壳热阻值为0.53/W，误差为1.889%，说明瞬态热阻曲线的分离点信息可用于分析 IGBT 焊料层的失效部位。依然遵循Cauer模型与实际物理层对应的物理意义，保持结-壳三阶的划分方式，将模块的“壳”作为分界点，视壳-环境为Cauer模型的第四阶，此时导热片被划分到第四阶中，有无导热片以及导热片厚度不同相当于改变了第四阶对应的物理结构，此时第四阶热阻的增量应该是导热片的热阻值，这与试验结果相符。加有导热片与健康状态的瞬态热阻曲线在分离之前曲线完全重合，说明Cauer热模型中对应结-壳的三阶热阻没有发生变化。试验结果表明物理结构改变会Cauer模型的相应阶中体现。基于瞬态热阻曲线建立IGBT模块的Cauer模型，将各焊料层划分到不同阶中，可以实现各焊料层失效程度的量化分析。4结论1）瞬态热阻增量 Zth能准确、有效反映器件焊料层的老化程度；2）如果只有单一焊料层发生老化，分析瞬态热阻曲线的分离点，可实现失效部位判别；3）Cauer 模型能有效反应 IGBT 模块焊料层失效，采用合理的分阶划分方式，可实现各焊料层失效程度的量化评估 thanks