车用双面散热IGBT模块随机振动性能分析与应力预测_刘东静.pdf

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1、=DOI:1013290/jcnkibdtjs202301010January2023Semiconductor Technology Vol48 No159基金项目:广西重 点 研 发 计 划 资 助 项 目(桂 科 AB20159038);广 西 壮 族 自 治 区 中 青 年 教 师 基 础 能 力 提 升 项 目(2022KY0207);桂林电子科技大学研究生教育创新计划资助项目(2022YXW10)车用双面散热 IGBT 模块随机振动性能分析与应力预测刘东静，李浩，陈帅阳，王新海，冯青青(桂林电子科技大学 机电工程学院，广西桂林541004)摘要:针对双面散热绝缘栅双极型晶体管(IG

2、BT)模块在车载状态下由不同频率的振动载荷导致的焊料层失效问题，分别从材料和结构两个角度，以直接覆铜(DBC)板陶瓷层材料、陶瓷层厚度以及焊料层厚度为变量，以芯片底面焊料层应力为指标进行随机振动分析优化与应力预测，得到模块结构的最佳参数值组合。3 个变量对芯片底面焊料层应力的影响由大到小为:陶瓷层厚度、焊料层厚度、陶瓷层材料。最后提出一种对芯片下焊料层应力的预测模型，相较仿真的准确率为 95.61%。该研究结果对车载双面散热 IGBT 模块的振动性能分析提供参考，同时为模块结构的设计提供理论依据。关键词:双面散热;绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块;振动分析;优化设计;应力预测中图分类号:TN

3、603文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)01005907andom Vibration Performance Analysis and Stress Prediction ofDouble-Sided Cooling IGBT Module for VehicleLiu Dongjing，Li Hao，Chen Shuaiyang，Wang Xinhai，Feng Qingqing(School of Mechanical and Electrical Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin

4、 541004，China)Abstract:Aiming at the failure of solder layer caused by different frequency vibration load invehicle state of double-sided cooling insulated gate bipolar transistor(IGBT)module，random vibrationanalysis optimization and stress prediction were carried out respectively from the perspecti

5、ves of materialand structure，taking direct copper bond(DBC)ceramic layer material，thickness and solder layerthickness as variables and chip bottom solder layer stress as index，and the best parameter combination ofmodule structure was obtained The effects of three variables on the stress of the solde

6、r layer on the bottomof the chip are as follows:ceramic layer thickness，solder layer thickness，and ceramic layer materialFinally，a stress prediction model of the solder layer under the chip was proposed，and the accuracy is95.61%compared with the simulation The research results provide a reference fo

7、r the vibrationperformance analysis of the vehicle-mounted double-sided cooling IGBT module，and provide a theoreticalbasis for the design of the module structureKeywords:double-sided cooling;insulated gate bipolar transistor(IGBT)module;vibration analy-sis;optimization design;stress predictionEEACC:

8、2560J刘东静等:车用双面散热 IGBT 模块随机振动性能分析与应力预测=60半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月0引言绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功率模块作为新能源汽车等交通运输工具中电机驱动系统的重要组成部分，其性能的优劣直接影响整车的安全、动力与可靠性。因其复杂的循环负载及振动、温度、湿度多变的工作环境，导致 IGBT 功率模块失效率较高，文献 12 给出了电力电子变流装置各部分的失效率，均指出功率器件的故障主要由功率器件及其驱动电路失效导致，而失效造成的寿命折损则直接影响功率器件的使用。针对 IGBT 功率模块的随机振动性能分析与结构优化设计，研究方向主要集中在 I

9、GBT 模块中最薄弱的芯片、键合线与焊料层。张阳等人3 指出IGBT 模块在常温和高温热应力的不同状态下各阶固有频率有所下降，在热应力状态下的 IGBT 模块的振动疲劳寿命有所降低，但并未对 IGBT 的具体结构进行优化。周嘉诚等人4 提出汽车在工作状态下，车中的 IGBT 模块受热后刚性减小、固有频率降低，而电路板组件等受热后刚性增大、固有频率提高，但并未深入探讨振动载荷对 IGBT 模块的影响。在 IGBT 模块优化设计方面，刘东静等人5 主要分析了基板尺寸与焊料层厚度对模块抗振动性能的影响，但未考虑模块结构材料的影响。与传统焊接式功率模块相比，双面散热 IGBT 模块能降低热阻、减小模块

10、面积并提高最大耗散功率6，目前研究人员主要针对双面散热(DSC)IGBT 模块的热学、力学特性展开研究。在结构材料研究方面，根据非占优遗传算法的求解方法研究封装材料对模 块 寿 命 与 可 靠 性 的 影 响，提 出 直 接 覆 铜(DBC)板的陶瓷材料 AlN 与 Si3N4相对于 Al2O3，能减小热阻，增加 IGBT 模块寿命，而垫块使用 Mo材料是较好的选择7。在可靠性研究方面，双面散热 IGBT 模块采用 Mo 作为垫块时，芯片底部焊料层最先失效且占主导地位，而采用相同材料，双面散热 IGBT 模块的寿命是传统单面散热 IGBT 模块寿命的2 倍且在结温波动较大时更具优势8。现有随机

11、振动性能研究主要针对传统单面散热 IGBT模块，而双面散热 IGBT 模块随机振动性能方面的研究仍有不足。本文研究了在加速度功率谱密度载荷下双面散热 IGBT 模块的随机振动性能，基于非线性回归模型，建立双面散热 IGBT 模块芯片下焊料层应力预测模型，分析了不同频率的功率谱密度载荷下的焊料层响应特性以及不同封装材料、封装结构对随机振动性能的影响。1模型建立1.1双面散热 IGBT模块双面散热 IGBT 模块与传统单面散热 IGBT 模块的结构如图 1 所示。传统单面散热 IGBT 模块从下到上分别为基板、基板焊料层、DBC 板、芯片焊料层和芯片，芯片与 DBC 上铜层之间通过键合线进行电气互

12、连;双面散热 IGBT 模块由 2 层 DBC板、Mo 垫块、3 层焊料和芯片构成。模块采用上层 DBC 板替代键合线的方式实现电气互连，顶部增加了散热通道，极大地提高了 IGBT 模块的散热能力。图 1IGBT 模块的单面和双面散热封装结构对比Fig.1Comparisonofsingle-sidedcoolingandDSCpackage structure of IGBT modules1.2双面散热 IGBT模块有限元模型图 2 为双面散热 IGBT 模块结构的简化模型，将各构件简化为层状结构，DBC 上铜层复杂的电路简化为一块规则的体块。对于散热器，若建立风冷散热的散热器模型，将产生

13、电、热、结构、流场的复杂多物理场耦合情况，且散热器复杂的结构会影响网格划分质量，增大计算量，更可能使计算结刘东静等:车用双面散热 IGBT 模块随机振动性能分析与应力预测=January2023Semiconductor Technology Vol48 No161果误差倍增，甚至结果不收敛，因此简化模型中忽略散热片与外部塑封外壳。图 2双面散热 IGBT 模块结构简化模型Fig.2Simplified structure model of DSC IGBT module模 块 中 芯 片 尺 寸 为 11.5 mm 11.5 mm 0.5 mm，DBC 铜 层 尺 寸 为 30.0 mm 2

14、8.0 mm 0.3 mm，垫块尺寸为 11.5 mm11.5 mm2.0 mm，以上模块结构的尺寸在分析过程中保持不变，DBC陶瓷层初始尺寸为 33.0 mm31.0 mm0.3 mm，各焊料层初始尺寸为 11.5 mm11.5 mm0.2 mm。从DBC 陶瓷层材料、厚度和焊料层厚度 3 种因素分析随机振动对模块的影响，建立 3 因素 4 水平的正交试验，共 16 组模块，各组结构尺寸如表 1 所示。表 116 组模块结构尺寸Tab.1Structure dimensions of 16 sets of modules序号DBC 陶瓷层材料DBC 陶瓷层厚度/mm焊料层厚/mm1Al2O3

15、0.30.22Al2O30.60.33Al2O30.90.44Al2O31.20.65AlN0.30.36AlN0.60.27AlN0.90.68AlN1.20.49Si3N40.30.410Si3N40.60.611Si3N40.90.212Si3N41.20.313BeO0.30.614BeO0.60.415BeO0.90.316BeO1.20.22双面散热 IGBT模块有限元分析模态分析、随机振动分析以及谐响应分析主要在 ANSYS Workbench 中仿真计算，并进行以下假设:环境温度为 22;各层焊料均无空洞等缺陷且焊接良好;焊料层、芯片、DBC 基板等在初始状态下平整无翘曲;不考

16、虑芯片和 DBC陶瓷层材料的各向异性912。表 2 给出模块各构件的材料及属性，表中 为密度，E 为杨氏模量，为泊松比。表 2IGBT模块构件材料及属性13 Tab.2Materials and properties of IGBT module components模块构件材料/(kgm3)E/GPaDBC 铜层Cu8 9601100.34焊料层纳米银8 58090.37DBC 陶瓷层Al2O33 3003000.20AlN3 2803100.23Si3N43 4003400.25BeO2 8703450.26芯片Si2 3291700.28垫块Mo10 2003200.302.1模态分析模

17、态分析过程中，将应力变化较大的焊料层与 DBC 陶瓷层进行网格加密处理，以提高计算结果准确性。将双面散热 IGBT 模块 DBC 下铜层底面四角设为固定约束。结构的稳定性与前几阶的模态关系比较紧密，因此选用前 6 阶模态进行分析。以表 1 中第 3 组模块仿真结果的模态的振型图为例，发现一阶模态固有频率为 2 298.3 Hz，主要位移分布在模块下 DBC 板上铜层表面与焊层相接处;二阶模态固有频率为 3 703.1 Hz，最大位移分布在上 DBC 板与芯片排列方向相同的两边;三阶模态固有频率为 4 119.8 Hz，主要位移分布在上 DBC 板与二阶模态位移不同的另外两侧;四阶模态固有频率为

18、 5 147.0 Hz，最大位移集中在上、下 DBC 板的四角处。模块的固有频率与 IGBT 模块结构分布、材料参数，以及所施加的约束方法和位置相关，在不同的约束方法和位置下进行模态分析得出的结果不同。对表 1 中 16 组模块进行模态分析，获得固有频率如图 3 所示，可以看出，在 4 种 DBC 陶瓷层材料厚度增加的过程中，IGBT 模块的前 3 阶固有频率都有提高，说明 DBC 陶瓷层厚度对模块低阶固有频率有较大的影响，对模块的高阶固有频率影响较小。研究认为，IGBT 模块的前 3 阶固有频率越高，结构越稳定，对 IGBT 模块工作状态下的可靠性影响越小5。刘东静等:车用双面散热 IGBT

19、 模块随机振动性能分析与应力预测=62半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月图 3模态分析下 16 组模块的固有频率Fig.3Natural frequencies of 16 sets of modules in modal analysis2.2随机振动分析双面散热 IGBT 模块中没有键合线，其失效位置主要为焊料层，故主要考虑焊料层的应力应变情况。在模态分析的基础上对双面散热 IGBT 模块进行随机振动分析，对模态分析中的固定约束点施加功率谱载荷密度激励，功率谱密度选用 JESD22-B103B 中的试验条件1415，如表 3 所示。表 3随机振动功率谱密度Tab.3and

20、om vibration power spectral density频率/Hz加速度幅值/(g2Hz1)20.0141.0081.00400.10500.30700.302000.035000.01双面散热 IGBT 模块芯片下焊料层在随机振动状态下的等效应力如图 4 所示。可以看出，芯片下焊料层等效应力随着 DBC 陶瓷层厚度的增加而下降，每种陶瓷层对应的应力曲线的下降速率不同，该现象主要归因于每组结构中模块整体焊料层的厚度也在改变，厚度可增强抗振性能从而导致应力下降幅度减缓;在 4 种 DBC 陶瓷层材料中，使用AlN 材料的芯片下焊料层最大等效应力整体偏低，说明其抵抗振动的能力比其他要

21、好。焊料层受到的应力与陶瓷层材料、陶瓷层厚度、焊料层厚度相关，结合正交试验数据和方差理论计算偏差平方和、自由度与 F 比，评估这 3 种影响因素对芯片下焊料层应力的影响比重。如表 4 所示，DBC 陶瓷层厚度对下焊料层应力影响比重最大，其次是焊料层厚度，DBC 陶瓷层材料在 3 种影响因素中影响比重最小。图 4随机振动状态下芯片下焊料层最大等效应力Fig.4Maximum equivalent stress of solder layer under chip in random vibration state表 4正交设计方差分析表Tab.4Orthogonal design varianc

22、e analysis table因素偏差平方和自由度F 比F 临界值 显著性DBC 陶瓷层材料0.32030.1242.49DBC 陶瓷层厚度11.50134.4662.49显著焊料层厚度0.61830.2402.493结构优化与验证根据表 5 进行极差分析，遴选出 DBC 陶瓷层材料、陶瓷层厚度、焊料层厚度 3 个参数的最小平均值，以得到最优的芯片下焊料层应力，分别为陶瓷层材料为 AlN，陶瓷层厚度为 1.2 mm，焊料层厚度为 0.6 mm。刘东静等:车用双面散热 IGBT 模块随机振动性能分析与应力预测=January2023Semiconductor Technology Vol48

23、No163表 5极差分析表Tab.5ange analysis table项目因素DBC 陶瓷层材料DBC 陶瓷层厚度焊料层厚度均值 12.2933.3762.417均值 21.9122.2541.957均值 32.1141.5602.022均值 42.0071.1351.929极差2.0071.1351.929采用有限元仿真来验证在随机振动载荷下，最优因素水平组合能降低芯片下焊料层的最大应力。图 5 是最优因素水平组合的芯片下焊料层最大等效应力分布图。随机振动载荷下，芯片下焊料层的等效应力最大值约为1.019 MPa，与图 4 中最大等效应力的最小值 1.079 MPa 相比减小 0.06

24、MPa。该结果验证了通过极差分析获得的参数值最佳组合可使芯片下焊料层的最大等效应力减小。图 5最优因素水平组合芯片下焊料层等效应力分布Fig.5Equivalent stress distribution of solder layer underchip with optimal factor level combination针对双面散热 IGBT 模块在承受简谐规律变化的载荷时芯片下焊料层的响应问题，在模态分析的基础上，对模块进行谐响应分析。选取表 1 中第 4组模块与参数值最优组合模块进行对比分析，两组试验模块振幅响应结果如图 6 所示。在 DBC 陶瓷层厚度不变的情况下，随着 DBC

25、 陶瓷层材料的改变和焊料层厚度的增加，下焊料层对谐波载荷的响应幅值逐渐降低，这与随机振动分析的结果相符合。观察图 6，第 4 组芯片下焊料层响应幅值最大为 0.158 mm，对应的频率约为 2 750 Hz，而该组模块的一阶固有频率是 2 658.3 Hz，说明模块在此时发生共振，从而导致应力增大。参数水平最优组合模块中芯片下焊料层响应幅值最大为 0.072 mm，对应的频率约为 1.35104Hz，并在 1.55104Hz处也产生了次级幅值波动，此时的频率已经远超模图 6两组试验模块振幅响应Fig.6Amplitude response of two groups of test modul

26、es块前 6 阶固有频率，相比其他组的振幅响应曲线，认为参数值最优组合模块的承受振动载荷的能力较强。因此在实际设计工作中，应避免模块工作振动频率在其一阶固有频率附近，降低因共振现象造成的模块焊料层应力集中，以提高双面散热 IGBT 模块的可靠性。根据结构参数优化组合模块与其他对照组模块最大等效应力对比可知:随着 DBC 陶瓷层厚度的增加，芯片下焊料层的等效应力明显降低，但在实际制造过程中应结合热阻等因素来提高器件可靠性。4等效应力预测与验证如果试验指标 y 与多个试验因素 xj、xk(j=1，2，m;k=1，2，m)之间存在非线性关系，例如 y 与 m 个因素 x1，x2，xm的二次回归模型为

27、16 y=a+mj=1bjxj+mj=1bjjx2j+mj kbjkxjxk(1)也可以将其转换成线性回归模型，然后再按线性回归的方法进行处理。本文中的芯片下焊料层等效应力预测模型使用线性迭代法计算各项影响因素的未知回归系数，进而建立回归模型。以芯片下焊料层等效应力作为试验指标 Smax，将影响 Smax的因素 DBC 陶瓷层材料(x1)、DBC 陶瓷层厚度(x2)、焊料层厚度(x3)作为自变量，刘东静等:车用双面散热 IGBT 模块随机振动性能分析与应力预测=64半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月3 个因素之间的函数关系满足Smax=a+b1x1+b2x2+b3x3+b11

28、x21+b22x22+b33x23+b12x1x2+b13x1x3+b23x2x3(2)设 b1=b，b2=c，b3=d，b23=l，则基于 SPSS软件进行非线性回归分析，得到表 6 所示的系数评价表，其中第 2 列为式(2)各项系数值。表 6系数评价表Tab.6Coefficient evaluation table系数系数评价值95%置信度下限上限a7.2714.00110.54b0.7052.0610.65c5.1979.7160.679d8.99422.3924.405e0.0690.1220.26f1.9350.1874.058g5.9885.24117.217h0.0490.89

29、30.795i0.9681.1413.077l0.8406.197.869由回归分析得到等效应力预测模型表达式为Smax=7.271+0.705()x1+5.197()x2+8.994()x3+0.069 x21+1.935 x22+5.988 x23+0.049()x1x2+0.968 x1x3+0.84 x2x3(3)为验证预测模型准确性，重新组合影响因素水平，根据表 7 中的 8 组数据分别建立模型，得到有限元分析的各组最大应力值，再将表 7 中的组合代入预测回归模型，得到各参数水平组合对应的最大应力预测值。从表 7 的数据可知，本文研究的双面散热 IGBT 模块结构在随机振动载荷下，有

30、限元模拟值与应力预测模型预测值的平均误差为 4.39%，即应力预测模型相对于有限元仿真的准确率为95.61%。表明该应力预测模型的准确率较高。表 7应力预测模型验证组数据Tab.7Stress prediction model validation group data序号DBC陶瓷层材料DBC陶瓷层厚度/mm焊料层厚度/mm最大等效应力/MPa仿真值模型预测值误差百分比/%平均误差/%1Si3N40.90.41.3591.4274.752Al2O30.60.42.1332.1300.153BeO0.60.22.3312.3771.904AlN0.60.32.2292.4298.225Si3N

31、41.20.21.3731.3412.446AlN0.90.21.9171.8056.267BeO0.30.43.1213.3577.028BeO0.60.62.0711.9555.954.595结论针对双面散热 IGBT 模块采用封装底面四角固定约束，忽略散热片与端子等前置条件下，进行模态分析，随机振动分析与谐响应分析，分析不同DBC 陶瓷层材料、陶瓷层厚度与焊料层厚度对芯片下焊料层应力的影响。根据分析数据建立芯片下焊料层应力预测模型，验证了模型的准确性。主要结论如下。通过仿真数据的方差分析，3 个因素对最大应力值的影响由大到小依次为:DBC 陶瓷层厚度、焊料层厚度、陶瓷层材料。陶瓷层厚度对

32、芯片下焊料层的最大应力的影响最为显著。各因素水平的最佳组合为:DBC 陶瓷材料为 AlN，陶瓷层厚度为 1.2 mm，焊料层厚度为0.6 mm。随机振动载荷下对应的最大等效应力为1.019 MPa，与 16 组仿真结果中最大等效应力的最小值相比小 0.06 MPa;谐波载荷下参数值最优组合模块对应的响应幅值最大值为 0.072 mm，比第 4 组模块最大响应幅值减小 0.086 mm，验证了优化方案能够降低芯片下焊料层最大等效应力。以陶瓷层材料、陶瓷层厚度与焊料层厚度为自变量，载荷下芯片下焊料层的最大等效应力为因变量，进行基于 SPSS 软件的非线性回归分析，得到芯片下焊料层结构的最大等效应力

33、预测模型。基于影响因素的横向组合，通过有限元模拟分析和预测模型预测了芯片下焊料层的最大应力。两种方法的数据平均误差为 4.39%，即相较于仿真分析，应力预测模型的准确率为 95.61%。参考文献:1 YANG S Y，BYANT A，MAWBY P，et al Anindustry-based survey of reliability in power electronicconverters J IEEE Transaction on Industry Applica-tions，2011，47(3):14411451 2 BOETTCHEM，FUCHSFWPowerelectronicc

34、onverters in wind energy systems considerations of relia-bility and strategies for increasing availability C Pro-ceedings of the 14thEuropean Conference on Power Elec-tronics and Applications Birmingham，UK，2011:110 3 张阳，王维民，张杨 电热固耦合作用下 IGBT 高刘东静等:车用双面散热 IGBT 模块随机振动性能分析与应力预测=January2023Semiconductor

35、Technology Vol48 No165周疲劳寿命评估方法研究 J 电子元件与材料，2021，40(11):11511158 4 周嘉诚，刘芳，燕怒 热与随机振动对车载电路板的影响研究 J 现 代 电 子 技 术，2018，41(10):1923 5 刘东静，王韶铭，王浩洁，等 功率器件 IGBT 优化设计与振动性能研究 J 电子元件与材料，2020，39(11):9195 6 余跃，曾正，孙鹏，等 双面散热功率模块的热阻建模与测试表征研究 J 中国电机工程学报，2022，42(1):290302 7 曾正，欧开鸿，吴义伯，等 车用双面散热功率模块的热力协同设计 J 电工技术学报，2020

36、，35(14):30503064 8 欧开鸿，曾正，王亮，等 双面散热 SiC 功率模块的可靠性分析和寿命评估 J 中国电机工程学报，2021，41(9):32933305 9 JIANG N，CHEN M Y，XU S Y，et al Lifetimeevaluation of solder layer in an IGBT module underdifferent temperature levels C Proceedings of the 8thInternationalPowerElectronicsMotionControlConference Hefei，China，2016:

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