基于電-熱-機(jī)械應(yīng)力多物理場的IGBT焊料層健康狀態(tài)研究

陳民鈾　高　兵　楊　帆　徐盛友　謝　鵬

（1. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)）　重慶　400044 2. 國網(wǎng)福建省電力有限公司檢修分公司　福州　350013）

基于電-熱-機(jī)械應(yīng)力多物理場的IGBT焊料層健康狀態(tài)研究

陳民鈾1高兵1楊帆1徐盛友1謝鵬2

（1. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)）重慶400044 2. 國網(wǎng)福建省電力有限公司檢修分公司福州350013）

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）模塊失效將導(dǎo)致功率變流器故障，而IGBT主要失效模式之一—— 焊料層疲勞則主要是由于溫度分布不均勻和材料參數(shù)不匹配引起的熱應(yīng)力造成。因此研究IGBT模塊溫度-機(jī)械應(yīng)力分布特性，對(duì)變流器安全評(píng)估尤其重要。基于所建立的IGBT功率模塊電-熱-機(jī)械應(yīng)力多物理場模型，分析了IGBT模塊穩(wěn)態(tài)以及瞬態(tài)下的熱-機(jī)械應(yīng)力分布特性規(guī)律?；谡撐奶岢龅哪Ｐ?，針對(duì)IGBT焊料層疲勞失效，分析了焊料層空洞位置以及大小對(duì)功率模塊熱-機(jī)械應(yīng)力的影響規(guī)律，結(jié)果表明焊料層熱應(yīng)力最大值出現(xiàn)在焊料層邊角以及空洞邊緣處，相同面積下拐角空洞更容易導(dǎo)致IGBT模塊失效，而且芯片結(jié)溫隨著中心空洞半徑增加而升高，當(dāng)空洞率達(dá)到50%時(shí)，結(jié)溫溫升達(dá)到5.10℃，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致模塊失效。基于能量微分以及熱應(yīng)力理論，本文提出了基于溫度梯度評(píng)估焊料層運(yùn)行狀況的方法，并從理論以及仿真模擬層面，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性，并分析了不同焊料層失效程度對(duì)溫度梯度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)溫度梯度變化規(guī)律與結(jié)溫變化規(guī)律一致，且靈敏度高，具有可追蹤故障點(diǎn)位置的優(yōu)點(diǎn)。

IGBT溫度電-熱-機(jī)械力耦合空洞溫度梯度

0　引言

IGBT功率模塊廣泛應(yīng)用于風(fēng)電系統(tǒng)中，由于風(fēng)電機(jī)組長時(shí)間、頻繁和大范圍的隨機(jī)出力變化，使變流器結(jié)溫波動(dòng)較大［1］，而IGBT功率模塊由于其多層結(jié)構(gòu)以及材料熱膨脹參數(shù)（CTE）的不匹配，導(dǎo)致模塊中不同材料中溫度、熱應(yīng)力分布不均勻，進(jìn)而造成功率模塊失效［2-5］。而且實(shí)際運(yùn)行中，因IGBT功率模塊焦耳熱而引起的溫度波動(dòng)會(huì)造成芯片焊料層邊角出現(xiàn)較大的交變熱應(yīng)力，在焊料層中產(chǎn)生裂紋，影響模塊散熱，使得高溫區(qū)域集中［6-8］。研究表明，裂紋首先產(chǎn)生于焊料層邊角［9，10］，隨著溫度波動(dòng)次數(shù)的增加，裂紋向中心發(fā)展，進(jìn)而導(dǎo)致更嚴(yán)重的焊料層變形、焊料層熱阻改變，造成結(jié)溫上升，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致IGBT失效，因此研究IGBT焊料層的電-熱-機(jī)械力耦合特性尤其重要。

本文采用場計(jì)算方法，建立了IGBT功率模塊電-熱-機(jī)械力模型，首先分析了正常情況下IGBT功率模塊穩(wěn)態(tài)以及瞬態(tài)電-熱-機(jī)械應(yīng)力分布特性規(guī)律。針對(duì)IGBT功率模塊焊料層疲勞失效模式，基于論文所建立的模型計(jì)算分析了不同焊料層失效程度對(duì)功率模塊熱-機(jī)械應(yīng)力影響規(guī)律，結(jié)果表明熱應(yīng)力最大值出現(xiàn)在芯片邊角下面的焊料層以及空洞邊緣處，與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果吻合，發(fā)現(xiàn)邊角空洞危害更大，并研究了中心空洞率對(duì)IGBT芯片結(jié)溫以及熱應(yīng)力影響規(guī)律，結(jié)果表明空洞半徑增大會(huì)造成結(jié)溫上升以及熱應(yīng)力增大，而且熱應(yīng)力最大值將會(huì)出現(xiàn)在失效處，會(huì)加速焊料層疲勞。

由于焊料層溫度梯度與熱應(yīng)力密切相關(guān)，也是物體中能量分布傳遞的一種表征形式，因此本文提出了基于溫度梯度評(píng)估焊料層健康狀態(tài)的方法，首先從理論上驗(yàn)證了該方法的可行性，并基于等效替代理論，將焊料層全局失效造成的熱阻上升效果等效為具有一定厚度的熱學(xué)材料的熱學(xué)作用，驗(yàn)證了溫度梯度法判斷焊料層失效的可行性，發(fā)現(xiàn)焊料層溫度梯度具有監(jiān)測靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)?；谒⒌碾?熱-機(jī)械應(yīng)力模型，分析了不同焊料層失效程度與溫度梯度之間的關(guān)系，結(jié)果表明，溫度梯度對(duì)于焊料層失效程度敏感性高，且與結(jié)溫變化規(guī)律一致，具有能有效追蹤失效位置的優(yōu)點(diǎn)，因此基于溫度梯度方法可以評(píng)估焊料層健康狀態(tài)，本文從熱學(xué)能量角度，為IGBT功率模塊可靠性評(píng)估提供了一種新的思路。

1　IGBT有限元模型

1.1IGBT模型描述

本文研究的SK35GD126ET功率模塊，12個(gè)芯片組成即6個(gè)IGBT和6個(gè)續(xù)流二極管，IGBT和續(xù)流二極管之間由鋁鍵合線連接起來。模塊最下面為油脂，它緊貼在散熱器上，用于保證模塊與散熱器之間的良好接觸。在建立有限元模型中忽略了鍵合線散熱作用并假設(shè)芯片均勻散熱，材料相關(guān)的參數(shù)見表1。

表1　材料屬性Tab.1　Parameters of material

IGBT功率模塊的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1b中，d1，d2，…，d6表示續(xù)流二極管，s1，s2，…，s6表示IGBT芯片。其特殊的多層結(jié)構(gòu)及不同材料間熱膨脹系數(shù)的不匹配導(dǎo)致其在長期熱循環(huán)沖擊作用下引起其焊接材料的疲勞與老化，并最終造成器件因芯片引線斷裂、焊料層或溫度增加而失效［11-13］。另外，制造過程中可能在焊接層與引線中產(chǎn)生初始裂紋與空洞，這將加速封裝材料疲勞從而增加失效可能性。

1.2有限元數(shù)學(xué)模型

由于IGBT運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生損耗，導(dǎo)致模塊溫度升高，而IGBT多層結(jié)構(gòu)材料屬性受溫度影響，發(fā)生改變從而改變模塊中溫度分布，為一個(gè)電熱耦合過程，因此研究采用電熱模型研究IGBT溫度分布特性尤其重要。根據(jù)傳熱學(xué)以及有限元理論［14.15］，熱傳導(dǎo)的有限元方程為式中，Ct為熱容矩陣；Kt為熱傳導(dǎo)矩陣；T為節(jié)點(diǎn)溫度；為時(shí)間變量節(jié)點(diǎn)溫度矢量；Qnd為節(jié)點(diǎn)熱流率矢量；Qc為面對(duì)流熱量矢量；Qg為熱流率載荷矢量，Qj為熱源產(chǎn)熱量矢量。而對(duì)于電場問題滿足［16,17］式中，KV為電導(dǎo)率矩陣；V為節(jié)點(diǎn)電壓；Ind為電流載荷，而內(nèi)部熱源發(fā)熱量Qj可以根據(jù)電場方程計(jì)算得到

圖1　IGBT模塊結(jié)構(gòu)圖與俯視圖Fig.1　Structure graph and top view of the IGBT module under study

式中，N為形函數(shù)矩陣；Vg為電勢梯度矩陣矢量；σ（T）為電導(dǎo)率。

由于電場和溫度場存在耦合，因此整個(gè)過程為一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過程。

自然界的一切物體都會(huì)熱脹冷縮，溫度變化會(huì)導(dǎo)致器件形狀和尺寸發(fā)生變化。尤其對(duì)于IGBT功率模塊此類多層結(jié)構(gòu)物體，其熱應(yīng)力嚴(yán)重影響其運(yùn)行狀態(tài)，熱應(yīng)力有限元方程為

式中，K為單元節(jié)點(diǎn)力矩陣；a為節(jié)點(diǎn)位移；P為節(jié)點(diǎn)溫度載荷。

與不包括溫度應(yīng)變的有限元求解方程相區(qū)別的是載荷向量中包括由溫度應(yīng)變引起的溫度載荷。即

式中，Pf、PT為體積載荷和表面載荷引起的載荷項(xiàng)；Pεo為溫度應(yīng)變引起的載荷項(xiàng)，具體公式推導(dǎo)見參考文獻(xiàn)［18，19］。

1.3邊界條件與載荷

由于IGBT運(yùn)行過程中受到電、熱、機(jī)械力等多個(gè)物理場的綜合影響，因此在計(jì)算時(shí)需要綜合考慮多物理場作用。計(jì)算溫度場的時(shí)候，采用電-熱物理場直接耦合方法，對(duì)銅層施加恒定電流，芯片上施加根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)計(jì)算得到的平均損耗，并考慮損耗的溫度依賴性，其具體計(jì)算公式可以參考文獻(xiàn)［10］，相關(guān)損耗計(jì)算參數(shù)見表2，底面設(shè)定為對(duì)流換熱邊界，對(duì)流換熱系數(shù)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)測溫計(jì)算得到，本文為400W/m2·K，其他邊界為絕熱邊界，計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)時(shí)，采用間接耦合方法，將得到的溫度場計(jì)算結(jié)果作為載荷施加到模型上，其邊界設(shè)置為如圖2所示，環(huán)境溫度設(shè)置為25℃。

表2　IGBT功率器件損耗計(jì)算參數(shù)Tab.2　Parameters of IGBT for calculating power loss

圖2　熱應(yīng)力計(jì)算邊界設(shè)置Fig.2　Boundary conditions of mechanical field

2　IGBT電-熱-機(jī)械應(yīng)力分布特性

2.1IGBT正常下電-熱-機(jī)械應(yīng)力特性

在有限元軟件中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)以及邊界，首先分析了穩(wěn)態(tài)下下IGBT功率模塊溫度以及熱應(yīng)力特性。在仿真中假設(shè)所有芯片均導(dǎo)通，通入電流為20A，圖3為IGBT模塊穩(wěn)態(tài)溫度分布特性。

圖3　IGBT功率模塊溫度分布Fig.3　Temperature distribution of IGBT module

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)IGBT功率模塊高溫主要集中在發(fā)熱IGBT芯片表面，最高溫度為91.404℃，但是不同芯片的最高溫度存在差異，主要是因?yàn)樾酒g熱耦合效應(yīng)影響，也從側(cè)面說明了芯片之間的熱影響不容忽視。

圖4為標(biāo)號(hào)s2的芯片焊料層熱應(yīng)力分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)芯片等效應(yīng)力集中在焊料層上表面四邊位置，即芯片四邊的下面位置，最大值出現(xiàn)在芯片邊角的下面位置，為188.92MPa，在功率器件運(yùn)行過程中，芯片焊料層是模塊中最為薄弱的地方之一［20］，而在芯片邊角下面的焊料層所受的熱應(yīng)力最大，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變失效原則，該位置是焊層裂紋產(chǎn)生的萌生處，將首先被破壞而產(chǎn)生缺陷。

圖5為IGBT功率模塊位移分布圖，可以發(fā)現(xiàn)功率模塊x方向位移、y方向位移分別呈現(xiàn)以x方向、y方向?qū)ΨQ分布。而且IGBT功率模塊的中心區(qū)域在z方向產(chǎn)生負(fù)位移；兩側(cè)區(qū)域在z方向產(chǎn)生正位移，負(fù)位移的最大值出現(xiàn)在基板的中心，正位移的最大值出現(xiàn)在基板的邊線上，對(duì)基板底至環(huán)境間熱阻產(chǎn)生影響的主要是z方向的熱變形。因此，基板的預(yù)彎應(yīng)使模塊在中心區(qū)域在z方向產(chǎn)生正位移，在兩側(cè)產(chǎn)生負(fù)位移，使之與模塊的熱變形量相抵消［21］。

同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，功率模塊總位移較大值集中在中心區(qū)域，逐漸向兩端減小，因此發(fā)熱較為集中的區(qū)域，其總位移也相對(duì)較大。

圖4　IGBT芯片焊料層Von Mises應(yīng)力分布圖Fig.4　Von Mises stress distribution of IGBT module

圖5　IGBT功率模塊位移分布Fig.5　Displacement distribution of IGBT module

由于IGBT工作時(shí)的導(dǎo)通電流和阻斷電壓都很大，在穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)和開關(guān)瞬態(tài)過程中產(chǎn)生很大功耗［21］，導(dǎo)致IGBT芯片結(jié)溫不斷波動(dòng)上升最后達(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡，整個(gè)過程為一個(gè)暫態(tài)過程，此處主要研究其暫態(tài)過程，并未考慮因功率循環(huán)造成的溫升波動(dòng)。由于IGBT功率模塊時(shí)間常數(shù)一般長達(dá)數(shù)秒之久，為了研究整個(gè)溫升過程，因此仿真時(shí)間設(shè)置為200s，通入IGBT模塊電流為20A時(shí)，其中標(biāo)號(hào)s2的IGBT芯片，其暫態(tài)溫度變化規(guī)律如圖6所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，芯片溫度隨著時(shí)間逐漸上升，當(dāng)時(shí)間達(dá)到200s時(shí)，芯片達(dá)到穩(wěn)態(tài)最終溫度為91.19℃，與穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果相當(dāng)，因此仿真時(shí)間設(shè)置恰當(dāng)，且Foster網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)可以通過擬合該溫升曲線得到。

圖6　標(biāo)號(hào)s2芯片結(jié)溫上升曲線Fig.6　Junction temperature rise curve of die labeled s2

圖7和圖8分別為瞬態(tài)下標(biāo)號(hào)s2的IGBT芯片，不同位置點(diǎn)下的z方向位移以及總位移變化對(duì)比規(guī)律?？梢园l(fā)現(xiàn)中心位置變化更為明顯，主要是因?yàn)樾酒c焊料層材料熱膨脹系數(shù)不匹配，且熱量主要沿z方向傳遞，使得整個(gè)模塊有一定程度的翹曲形變，導(dǎo)致中心位置形變相對(duì)較大，而邊緣區(qū)域較平緩。

圖7　標(biāo)號(hào)s2的IGBT芯片z方向位移變化規(guī)律Fig.7　Displacement distribution in z direction of IGBT labeled s2

圖8　標(biāo)號(hào)s2的IGBT芯片總位移變化規(guī)律Fig.8　Total Displacement distribution of IGBT labeled s2

而標(biāo)號(hào)d2芯片位移變化規(guī)律與標(biāo)號(hào)s2的IGBT芯片相似，其不同位置位移分布規(guī)律對(duì)比見表3和表4所示，由表可知對(duì)于FWD芯片，其不同位置z方向位移差異以及總位移差異均較IGBT芯片小，主要是因?yàn)闃?biāo)號(hào)d2的續(xù)流二極管更靠近模塊邊緣，且FWD芯片發(fā)熱較少。

表3　不同芯片邊角位置位移分布規(guī)律Tab.3　Displacements for corner position of dies

表4　不同芯片中心位置位移分布規(guī)律Tab.4　Displacements for center position of dies

圖9為標(biāo)號(hào)s2的IGBT芯片邊角及其焊料層邊角總位移隨時(shí)間變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)IGBT與其焊料層邊角位置總位移變化趨勢近似相同，在初始階段，兩者幾乎重合，但是隨著散熱時(shí)間的遞增，芯片總位移曲線逐漸與焊料層曲線分離，且該值高于焊料層位移值，主要原因是熱量沿著z方向傳遞，而且熱量傳遞需要一定時(shí)間，因此由材料熱膨脹系數(shù)不匹配帶來的影響逐漸凸顯。而且通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)IGBT芯片帶來的差異影響幾乎等于續(xù)流二極管影響，主要是由于兩處材料參數(shù)不匹配度近似相等。

圖9　標(biāo)號(hào)s2的IGBT總位移變化規(guī)律Fig.9　Total displacement distribution of IGBT labeled s2

2.2焊料層失效時(shí)電-熱-機(jī)械應(yīng)力特性

由于功率模塊中焊料層位于模塊導(dǎo)電、導(dǎo)熱的主要通道上，對(duì)器件的性能和可靠性起著至關(guān)重要的作用［9］。在制造過程中由于焊料和各種工藝因素的影響，在焊料層中很容易形成空洞，運(yùn)行期間因功率循環(huán)引起的溫度變化使得各層之間由于熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生了循環(huán)的剪切應(yīng)變和空間溫度梯度，造成空洞增大，出現(xiàn)裂紋甚至分層。由于此處主要研究焊料層疲勞對(duì)芯片影響規(guī)律，因此建模時(shí)忽略了鋁引線的作用，針對(duì)焊料層常見工藝故障—焊料層空洞進(jìn)行了分析，主要分析單個(gè)空洞對(duì)芯片最高溫度的影響，考慮了中心位置空洞和邊角位置空洞的影響，為了簡化模型，引入兩種規(guī)則的空洞模型，并假設(shè)空洞為貫穿焊料層的圓柱形。通過仿真計(jì)算了相同面積的中心空洞和邊角空洞對(duì)芯片表面溫度分布的影響規(guī)律，見表5。

表5　不同失效類型下溫度分布規(guī)律Tab.5　Temperature under different failure modes

由表5可以發(fā)現(xiàn)不同空洞位置，導(dǎo)致高溫集中位置也出現(xiàn)差異，而且相同面積時(shí)，邊角空洞造成的芯片溫度最大值影響明顯要大于中心空洞。表6給出了不同失效類型對(duì)焊料層Von-Mises應(yīng)力的影響規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)空洞位置對(duì)焊料層Von-Mises應(yīng)力的影響規(guī)律與其對(duì)芯片溫度影響規(guī)律大致相同，中心空洞造成熱應(yīng)力升高了3MPa，而邊角空洞導(dǎo)致熱應(yīng)力升高了9MPa，也從側(cè)面說明邊角空洞對(duì)IGBT模塊性能的影響作用更為明顯。

表6　不同失效類型下Von-Mises應(yīng)力分布規(guī)律Tab.6　Von-Mises stress under different failure types

由于空洞中氣體的導(dǎo)熱性不好，如果空洞過大將會(huì)導(dǎo)致芯片結(jié)溫上升較大，嚴(yán)重影響功率模塊工作性能。定義空洞率為空洞體積與焊料層總體積之比，圖10分析了單個(gè)中心空洞下，不同空洞率對(duì)芯片結(jié)溫的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)芯片結(jié)溫隨著空洞半徑近似呈指數(shù)增長，而且當(dāng)空洞率達(dá)到50%時(shí)，結(jié)溫上升了5.10℃，當(dāng)空洞率進(jìn)一步擴(kuò)大，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致IGBT功率模塊失效。

圖10　中心空洞對(duì)溫度的影響Fig.10　Effects of central voiding on chip temperature

3　基于溫度梯度的焊料層健康狀態(tài)評(píng)估

目前對(duì)于IGBT狀態(tài)監(jiān)測方法主要是基于器件表面特性［11，22］或者器件內(nèi)部參數(shù)［23］，但是這些方法信號(hào)采集量弱，容易受測量影響。而物體缺陷能改變物體能量梯度分布，目前應(yīng)用能量微分即梯度主要用于材料制造等領(lǐng)域［24-26］，尚未見到基于能量微分應(yīng)用于器件狀態(tài)評(píng)估。對(duì)于傳熱問題，根據(jù)傳熱學(xué)原理［14］，有

式中，ΔW為熱量改變量；c為比熱容；m為物體質(zhì)量；ΔT為溫度的改變量，而基于能量微分原理和微元法滿足

式中，df為微小位置變化；k為微分系數(shù)，因此物體能量分布與其溫度梯度密切相關(guān)。

同時(shí)對(duì)于IGBT功率模塊，當(dāng)物體各部分由于溫度分布不均勻，將會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致物體變形，且根據(jù)熱應(yīng)力計(jì)算方程，熱應(yīng)力與溫度梯度密切相關(guān)，而熱應(yīng)力是導(dǎo)致IGBT功率模塊失效的主要因素之一，因此在有限元模型中，根據(jù)熱阻定義，可得

式中，ΔR為熱阻；Tc1、Tc2為熱量傳遞路徑上有限元模型不同位置的溫度；P為模塊損耗；d為傳遞距離，而IGBT模塊散熱可以近似為一維散熱，因此溫度梯度▽T近似等于?T/?d，此時(shí)式（9）等價(jià)于

式中，f為位移形狀系數(shù)，與傳熱距離d相關(guān)。

當(dāng)芯片焊料層發(fā)生疲勞時(shí)，熱阻增大，導(dǎo)致功率模塊損耗增大，造成結(jié)溫上升，同時(shí)根據(jù)式（10）也會(huì)造成溫度梯度上升。因此本文提出了基于溫度梯度方法評(píng)估IGBT健康狀態(tài)。

焊料層疲勞導(dǎo)致的結(jié)溫溫升效果可以近似認(rèn)為是熱阻增加造成，但是如果只有單個(gè)芯片焊料層發(fā)生疲勞，也只有部分增加損耗流過芯片，但是總損耗均流過基板材料，因此可以將由該芯片疲勞而引起的損耗增加效果等效為因基板熱阻增大而引起的損耗增大。由于模塊失效判斷標(biāo)準(zhǔn)是IGBT芯片熱阻至少增大20%，而本文研究的SK35GD126ET功率模塊，IGBT熱阻為1.05℃/W，在有限元仿真中，將該熱阻用熱學(xué)材料替代，該材料厚度d為0.5mm，面積A為52mm×28mm，導(dǎo)熱系數(shù)λ為1.5W/（m·K），即該材料熱阻ΔRth=d/（λ·A）=0.229℃/W，大于IGBT熱阻的20%，如圖11所示。

圖12為正常穩(wěn)態(tài)下標(biāo)號(hào)s2芯片的焊料層溫度梯度分布。發(fā)現(xiàn)溫度梯度較大也集中在邊角處，與熱應(yīng)力具有類似規(guī)律。

圖11　熱阻等效替代示意圖Fig.11　Illustration of equivalent thermal resistance

圖12　穩(wěn)態(tài)正常下焊料層溫度梯度分布Fig.12　Temperature gradient of solder layer under normal steady condition

圖13為模擬焊料層失效時(shí)標(biāo)號(hào)s2、d2芯片焊料層的溫度梯度分布規(guī)律。

圖13　芯片焊料層溫度梯度分布Fig.13　Thermal gradients of solder layer

對(duì)比正常情況結(jié)果，根據(jù)圖13可得出結(jié)論，當(dāng)焊料層發(fā)生疲勞時(shí)，焊料層溫度梯度將會(huì)增大，因此也驗(yàn)證了前面理論，當(dāng)焊料層失效時(shí)，導(dǎo)致材料損耗增大，進(jìn)而造成溫度梯度上升。

為了進(jìn)一步研究溫度梯度與焊料層健康狀況之間的表征關(guān)系，分析了焊料層不同失效程度下的溫度梯度變化規(guī)律，不同空洞位置下溫度梯度分布規(guī)律見表7。

表7　不同失效類型下溫度梯度分布規(guī)律Tab.7　Temperature gradient under different failure types

可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)出現(xiàn)中心空洞下焊料層溫度梯度分布，溫度梯度最大值由46.38K/cm上升為60.22K/cm，變化幅值超過21.18%；而出現(xiàn)邊角空洞時(shí)，焊料層溫度梯度最大值變化更加明顯，超過100%；與熱-機(jī)械應(yīng)力分布規(guī)律一致，說明溫度梯度變化規(guī)律與焊料層健康狀態(tài)程度一致，也驗(yàn)證了溫度梯度對(duì)焊料層運(yùn)行狀態(tài)的高靈敏性。

同時(shí)本文給出了單個(gè)中心空洞下，不同焊料層失效程度下溫度梯度的變化規(guī)律，具體如圖14所示。

圖14　中心空洞率對(duì)焊料層溫度梯度分布Fig.14　Thermal gradients of solder under void in corner

從圖14中可以發(fā)現(xiàn)，焊料層溫度梯度與芯片結(jié)溫變化規(guī)律一致，但是變化幅度更大，靈敏性更高。因此溫度梯度可以作為一種評(píng)估IGBT健康狀態(tài)的方法。

4　結(jié)論

本文提出了一種基于電-熱-機(jī)械應(yīng)力分析模型評(píng)估IGBT功率模塊運(yùn)行狀況?；谒岢龅哪Ｐ脱芯苛撕噶蠈硬煌С潭葘?duì)功率模塊熱-機(jī)械性能影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)力最大值出現(xiàn)在焊料層邊角以及空洞邊緣處，模塊IGBT芯片位移變化較其自身反向續(xù)流二極管大；芯片結(jié)溫隨著空洞半徑近似呈指數(shù)增長，而且當(dāng)空洞率達(dá)到50%時(shí)，結(jié)溫上升了5.10℃。從能量微分角度，提出了基于溫度梯度評(píng)估焊料層健康狀態(tài)的方法思路，首先從理論上驗(yàn)證了該方法的可行性，其次基于等效代替思想，模擬了焊料層整體完全失效，從仿真層面驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性，仿真結(jié)果表明該方法具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)研究了不同焊料層局部失效類型下的溫度梯度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)溫度梯度表征規(guī)律與結(jié)溫一致。結(jié)果表明基于溫度梯度法能夠準(zhǔn)確反映功率模塊焊料層健康狀況，且具有高靈敏度，可定位失效位置等優(yōu)點(diǎn)，本文從熱學(xué)能量角度，為評(píng)估IGBT狀態(tài)提供了一種新的思路。

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Healthy Evaluation on IGBT Solder Based on Electro-Thermal-Mechanical Analysis

Chen Minyou1Gao Bing1Yang Fan1Xu Shengyou1Xie Peng2
（1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing UniversityChongqing400044China 2. Maintenance Branch Company of State Grid Fujian Electric Power Co.，Ltd.Fuzhou350013China）

The failure of insulated gated bipolar transistor （IGBT） strongly depends on junction temperature，and the main reason for solder delamination is the thermal stress caused by uneven temperature distribution and coefficients of thermal expansion （CTE） mismatch. Therefore，accurate electro-thermal-mechanical model is essential to maintain an efficient operation. This paper presents an electro-thermal- mechanical model and analyzes the characteristics of steady and transient states. Based on the presented model，the failure behavior of solder joint is discussed； the effects of voids on the thermal-mechanical characteristic are analyzed. Results indicate the max value of thermal stress locates on the edge of solder layer and the martin of void. In addition，corner void has great influence on chip temperature. That is，the junction temperature increases with the percentage of center void increases. The junction temperature is 5.10℃ when the percentage of void reaches 50%. Based on the theory of heat energy and thermal stress，a method based on temperature gradient is proposed for evaluating theoperation status of solder layer. It is verified that this method is an efficient way to monitor the operation of status of IGBT module. Moreover，the variation of temperature gradient under different degrees of solder failure is analyzed，and the change laws are the same as those of junction temperature. Simulation results indicate this method has a high sensitivity and can track the failure position.

IGBT，temperature，electro-thermal-mechanical，void temperature gradient

TM86

陳民鈾男，1954年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄芸刂婆c建模，人工智能的工程應(yīng)用及新能源發(fā)電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的壽命評(píng)估。

高兵男，1987年生，博士研究生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測。

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2012CB215200）。

2013-11-25改稿日期 2014-02-20