PAGE40功率信號下的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的熱模型仿真分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u4840功率信號下的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的熱模型仿真分析案例 1295341.1耦合場分析方法 1189501.2穩(wěn)態(tài)熱-力耦合仿真分析 288651.3單脈沖功率信號作用下的IGBT熱效應(yīng)分析 9299571.4周期脈沖功率信號作用下的IGBT熱效應(yīng)分析 11213561.5小結(jié) 141.1耦合場分析方法耦合場分析的方法通?？紤]兩個或者兩個以上的物理場之間的相互作用，耦合分析包括兩部分：直接耦合分析和順序耦合分析。IGBT模塊在特定的工況環(huán)境下，通電流電壓，會產(chǎn)生大量的損耗，進而轉(zhuǎn)化為熱量，熱量沿著層狀路徑的傳導(dǎo)會導(dǎo)致模塊的溫度分布發(fā)生變化，而溫度會引起模塊產(chǎn)生熱應(yīng)力，進而對模塊的正常工作狀態(tài)造成影響。本文是基于有限元分析軟件ANSYS的IGBT模塊熱仿真模型分析。ANSYS是包含結(jié)構(gòu)、流體、磁場等分析于一體的通用有限元分析軟件，適用于多個物理場的耦合分析包括結(jié)構(gòu)分析、流體動力學(xué)分析、電磁分析、壓電分析等。該軟件包含三個部分：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊可以讓用戶根據(jù)自己的實際需求來創(chuàng)建有限元模型，并對建立的有限元分析模型進行區(qū)域化處理，調(diào)整各區(qū)域的精度等條件。分析計算模塊就是對劃分的區(qū)域進行求解，網(wǎng)格劃分越密，求解時間越長，求解的精度就越高。后處理模塊就是將計算的結(jié)果以圖標(biāo)、圖形等形式輸出或者顯示。有限元分析方法(FEA)利用數(shù)學(xué)近似求解的思想對真實的物體模型和工況進行模擬分析，利用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。有限元分析方法是用較為簡單的問題去代替復(fù)雜的問題去求解，將所求的模型劃分為多個子模塊和區(qū)域，用施加的載荷去分析多個子區(qū)域，將求解出來的子區(qū)域進行疊加得到完整模型的處理結(jié)果。因此，這種方法得到的最終結(jié)果不是準(zhǔn)確的結(jié)果，是無限接近于結(jié)果的近似解，所劃分的區(qū)域越多，求解的結(jié)果就越準(zhǔn)確，但同時所需要的求解資源也就越多。因為有限元對任何的模型求解具有通解性，能適應(yīng)各種復(fù)雜情況，因此在工程分析中被廣泛使用。1.2穩(wěn)態(tài)熱-力耦合仿真分析首先用Soildworks軟件進行建模，模型完成后另存為x.t格式。3D模型如圖所示。在Soildworks中隊模型進行切割劃分，保證各個部分的正確性。模型的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)手冊和文獻得到。選取了型號為SHH1D150T07S2的IGBT模塊,改模塊由兩個相同的部分組成，兩部分關(guān)于中軸線旋轉(zhuǎn)重合，并且這兩部分的溫度分布和應(yīng)力分布特性一致，因此只針對左半邊進行有限元分析。模型參數(shù)如表3-1所示表3-1IGBT模塊幾何結(jié)構(gòu)尺寸(mm)材料長寬高IGBT芯片11110.27FRD芯片7.57.50.27IGBT焊層11110.2FRD焊層7.57.50.2襯底銅層(上下)29.5270.3基板焊層30.5280.2基板91.831.83圖3-1IGBT有限元仿真模型確定模塊的基本尺寸之后，將模型導(dǎo)入workbench中進行仿真操作。首先在操作欄拖入SteadyThermal模塊，雙擊EngineeringData窗口進行模塊材料的定義，需要用到的材料參數(shù)。完成材料定義后導(dǎo)入模型文件，并在Model模塊完成各部分材料屬性的設(shè)置，然后進行網(wǎng)格劃分。表3-2IGBT模塊材料參數(shù)材料密度(kg/m熱膨脹系數(shù)(10?6泊松比熱導(dǎo)率(W/(m?K))比熱J/(kg?K)楊氏模量GpaSnAg74002.30.36422740Si23304.20.28150700130AlN32604.60.24150765311Cu8960170.3398390110Al2700210.3323790068圖3-2IGBT模塊網(wǎng)格劃分圖3-3鍵合線上的網(wǎng)格劃分根據(jù)第二章計算公式，得到了IGBT芯片的功耗為206W,FRD芯片功耗為70W。轉(zhuǎn)化為生熱率則在IGBT芯片上施加6.31×109W/m3,FRD芯片4.53×10有限元模型在經(jīng)過仿真后，得到的最終溫度分布如圖3-4，模塊的最高結(jié)溫為96.32℃，最高溫度位于IGBT芯片上，最低溫度在銅基板上。因為IGBT芯片是產(chǎn)熱的來源所以其上的溫度最高，而處在它旁邊的FRD芯片雖然也產(chǎn)生了不少的熱量，但由于溫度比芯片低，所以在溫度分布圖上為黃色。并且可以明顯的看到FRD芯片上的溫度分布本應(yīng)該和IGBT芯片溫度分布一致，處在芯片的中心，但由于兩者之間的熱耦合作用，導(dǎo)致FRD芯片的結(jié)溫分布靠近IGBT芯片的中心溫度分布。襯板上銅層和基板的溫度分布和IGBT芯片溫度分布保持一致。在IGBT封裝模塊中，芯片產(chǎn)生的熱量通過層狀結(jié)構(gòu)向下傳遞，并且在一定的范圍內(nèi)熱量的傳遞主要時豎直向下的，這個溫度分布圖可以很好的說明這一點，并且由于基板下表面的對流換熱系數(shù)夠大，保證了IGBT芯片產(chǎn)生的熱量可以及時發(fā)散出去。圖3-4IGBT模塊整體溫度分布圖(℃)圖3-5基板溫度分布圖(℃)下圖為鍵合線的溫度分布，鍵合線的材料選為Al材質(zhì)。鍵合線是連接IGBT芯片和FRD芯片的，是構(gòu)成電氣連接的通路。由于鍵合線和芯片表面直接焊接，而芯片的產(chǎn)熱量夠大，Al材料的熱導(dǎo)率雖然較銅小，但還是比較大的，所以鍵合線上的最高溫度只比芯片最高結(jié)溫低了2℃，并且鍵合線上的溫度分布有明顯的區(qū)分。由于鍵合線的左邊和芯片有兩處鍵合的地方，可以看到整個鍵合線的左邊區(qū)域的溫度都非常高，越遠(yuǎn)離芯片溫度越低，因為鍵合線的左邊是和銅板相連接的，而銅板在模塊中的作用是導(dǎo)熱、導(dǎo)電，本身并沒有損耗，所以在仿真的過程中是通過鍵合線向銅板導(dǎo)熱，溫度呈遞減狀態(tài)。圖3-6鍵合線整體溫度分布圖(℃)圖3-7單個鍵合線溫度分布細(xì)節(jié)圖(℃)從結(jié)溫的角度分析，得出了模塊的最高結(jié)溫分布在IGBT芯片上，并且芯片上的溫度呈集中分布，由于兩個芯片都有一定的產(chǎn)熱，芯片之間出現(xiàn)了熱耦合，F(xiàn)RD芯片的溫度分布靠近IGBT芯片，偏離中心位置。IGBT芯片對應(yīng)的中心溫度分布幾乎沿著垂直路徑，體現(xiàn)在焊層、襯板、基板的溫度分布上。當(dāng)有限元分析模型帶有鍵合線時，可以明顯的看到鍵合線上溫度分布的不均勻性，由于鍵合線是部分和芯片進行接觸的，所以只有在鍵合點處的溫度很高，從芯片到銅板溫度呈遞減趨勢。下面將從模塊應(yīng)力的角度對仿真結(jié)果進行分析，下面分別為芯片、焊層和襯板的應(yīng)力分布圖。其中模塊的最大等效應(yīng)力142Mpa，最大等效應(yīng)力分布的位置為襯板。其中芯片、焊層和襯板最大等效應(yīng)力分別為41.1Mpa、31.6Mpa、51Mpa，遠(yuǎn)小于該層材料的最大抗應(yīng)力能力170Mpa、215Mpa、644Mpa，所以在該仿真下各層材料參數(shù)均在安全范圍內(nèi)，模塊能正常的工作，所以證明了有限元模型的正確性。圖3-8芯片應(yīng)力分布圖(Mpa)圖3-9芯片焊層應(yīng)力分布圖(Mpa)圖3-10銅襯板應(yīng)力分布圖(Mpa)下圖為模塊仿真過程中IGBT模塊總的形變量，可以看到形變量最大的部分在銅基板上，雖然銅材料的熱導(dǎo)率較高，導(dǎo)熱性能好，使得銅基板在一些中小型功率器件中應(yīng)用廣泛，但由于其較大的熱膨脹系數(shù)和較差的機械強度，大功率器件應(yīng)用的反倒較少。明顯從形變分布圖中看出銅基板的變形量相對于其他部分是很大的，當(dāng)銅基板出現(xiàn)變形后，和銅基板相連接的基板焊層可能會發(fā)生脫落、空洞。焊層的脫落和空洞會影響模塊的傳熱路徑，增大模塊熱阻，降低模塊的可靠性。圖3-11IGBT模塊形變量分布圖(mm)基板焊層的最大形變量出現(xiàn)在焊層偏離中心處，在第一章提到過IGBT芯片的溫度呈中心分布，由于收到熱耦合作用稍微有所偏移。焊層本身就是導(dǎo)熱的重要途徑，加上焊層對應(yīng)位置的溫度變化較大，導(dǎo)致變形較為嚴(yán)重。所以在封裝模塊的選擇中要關(guān)注焊層的可靠性問題，要兼顧材料的機械強度和其他各層材料的適配度，以免出現(xiàn)分層的現(xiàn)象。圖3-12基板焊層形變量分布圖(mm)另一個導(dǎo)致封裝失效的因素就是鍵合線的問題。最大的等效應(yīng)力和形變量是在與芯片的鍵合處。在實際的IGBT器件中鍵合線的數(shù)量較多，且是并聯(lián)狀態(tài)。由于鍵合處的應(yīng)力和形變量都較大，鍵合線本身容易脫落。多根鍵合線并聯(lián)的可以有效的降低鍵鍵合點脫落所帶來的模塊可靠性下降的問題，并聯(lián)狀態(tài)下的鍵合線就算遇到某根脫落甚至斷裂的情況也可以保證模塊在一定時間內(nèi)正常工作。引線鍵合技術(shù)是微電子封裝領(lǐng)域內(nèi)最重要的技術(shù)之一，引線鍵合根據(jù)類別可分為熱壓鍵合、超聲鍵合和熱壓超聲鍵合三種。在常用的功率模塊中最常見的互聯(lián)方法就是引線鍵合，大功率的IGBT模塊一般采用超聲引線鍵合將IGBT芯片和FRD芯片連接。本文中的材料用的是鋁(Al)鍵合線，在前面提到了用銅(Cu)鍵合線可以在一定程度上提高模塊的可靠性，但由于工藝等原因限制了銅(Cu)鍵合線的使用。多根鍵合線雖然都是連接芯片的通路，芯片上的溫度而是呈中心分布的，所以鍵合線上的溫度和應(yīng)力的分布并不均勻?qū)е铝嗣扛I合線的壽命是不一樣，溫度和應(yīng)力波動越大的鍵合線的壽命就越短，所以在模塊的設(shè)計和工藝操作過程中，應(yīng)該注重鍵合線部分的連接，從而盡可能保證模塊的可靠性。1.3單脈沖功率信號作用下的IGBT熱效應(yīng)分析在上節(jié)進行了恒功率信號對IGBT模塊影響的仿真，詳細(xì)分析了受恒定功率信號下模塊的失效傾向、溫度和應(yīng)力的分布。在接下來仿真仿真中將給IGBT芯片施加單脈沖脈沖功率信號，不考慮FRD芯片的開通和關(guān)斷，通過施加脈沖功率信號來探究對IGBT模塊溫度和應(yīng)力的影響。施加脈沖功率大小為200W，以體生熱率的方式施加到IGBT模塊中，脈沖信號如圖3-15，脈沖信號為1ms,占空比為0.5。圖3-13功率200W,脈寬為1ms單脈沖信號圖3-14單脈沖功率下IGBT芯片結(jié)溫波動由于脈沖信號作用時間較短，IGBT芯片的結(jié)溫波動過小，僅為1.5℃，于此同時IGBT芯片上的應(yīng)力波動從0pa到最大的0.875MPa,雖然增長的幅度很大，但是由于芯片本身的極限抗拉能力達(dá)到幾百MPa,所以應(yīng)力的波動對于模塊本身沒有太多的影響?；谶^短時間的脈沖功率信號作用效果有限，為了更加清楚和直觀的放映出功率信號對模塊的影響，將類比功率循環(huán)施加載荷，將脈沖信號的作用時間延長。為了探究不同作用時長的脈沖功率信號對于模塊溫度和應(yīng)力累積的影響，將設(shè)置三組單脈沖功率，脈沖寬度分別為0.5s，1s，1.5s。脈沖功率信號的占空比均為0.5。圖3-15不同作用時長的脈沖功率信號圖3-16IGBT芯片結(jié)溫波動從功率載荷的加載時間和芯片結(jié)溫的波動來看，當(dāng)功率信號持續(xù)作用在IGBT芯片上的時候，芯片的溫度開始上升，由于環(huán)境溫度設(shè)置為22℃，在剛開始施加載荷的時候由于本身溫度較低，溫度開始迅速上升，但上升的速度開始減緩，一直到功率信號消失，芯片的溫度達(dá)到最高，功率載荷消失，芯片的溫度開始迅速下降，先快后慢，和升溫的過程剛好相反。當(dāng)載荷作用時長為0.5s時，芯片的最高結(jié)溫達(dá)到了61.6℃，當(dāng)載荷作用時長為1s的時候芯片最高結(jié)溫達(dá)到了65.879℃，當(dāng)載荷作用時間為1.5s時芯片最高結(jié)溫達(dá)到了72.697℃。隨著載荷作用時間增大，模塊的升溫效果開始變得明顯，這也就是IGBT模塊在正常工作狀態(tài)時，不停的開斷進行熱量的積累，模塊整體溫度在波動上升，最后達(dá)到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，由于此處的功率載荷作用了一段時間就消失了，溫度不斷通過基板和環(huán)境進行熱量的傳遞，所以模塊在經(jīng)過一段時間后溫度又會回到室溫。圖3-19為不同脈沖功率作用下的IGBT芯片的應(yīng)力變化曲線圖，芯片焊層在經(jīng)過一個周期的功率信號時，最大應(yīng)力為42MPa-60MPa之間，均小于芯片所能承受的極限應(yīng)力，應(yīng)力的變化趨勢與溫度相同，當(dāng)功率信號結(jié)束隨著芯片溫度的逐漸降低，芯片上的等效應(yīng)力逐漸減小。從溫度和應(yīng)力的增長趨勢來看，脈沖功率信號持續(xù)時間多1s，結(jié)溫的波動增長了17%左右，而芯片的最大等效應(yīng)力增加了40%作用。圖3-17IGBT芯片的最大等效應(yīng)力分布在功率信號的脈寬一定的情況下，器件內(nèi)部的溫升和應(yīng)力變化會隨著脈寬增加而增加，應(yīng)力的增加幅度遠(yuǎn)大于結(jié)溫的波動幅度。當(dāng)然溫度和應(yīng)力的分布不能一直隨著脈寬變大而變大。功率信號的幅值一定，脈寬越大，同時間內(nèi)器件內(nèi)部產(chǎn)生的熱量就越大，但是模塊是會通過基板和空氣盡心對流換熱的，模塊的溫度不能無限制的上升，在模塊散發(fā)的熱量和功率信號作用在IGBT芯片上產(chǎn)生的熱量相等時，模塊就達(dá)到了穩(wěn)態(tài)。1.4周期脈沖功率信號作用下的IGBT熱效應(yīng)分析由單脈沖功率信號可知，當(dāng)周期性功率信號施加在IGBT芯片上時，芯片先產(chǎn)生大量的熱引起模塊溫度的上升，同時模塊通過基板進行散熱，模塊溫度同步下降。在短時間內(nèi)由于產(chǎn)生的熱量較大，而散熱需要一定的時間且不能將所有的熱量全部通過對流換熱交換到空氣中，所以模塊的溫度應(yīng)該時波動上升，當(dāng)經(jīng)過一定周期的功率信號后模塊達(dá)到穩(wěn)態(tài)。為了驗證周期功率信號帶來的模塊結(jié)溫和應(yīng)力變化，選取周期為1s，占空比為0.5s大小保持不變的脈沖功率信號。圖3-18周期脈沖信號示意圖圖3-19IGBT芯片結(jié)溫波動圖圖3-20鍵合線結(jié)溫波動圖可以看到，在脈沖功率信號施加第6-7個周期時，IGBT模塊達(dá)到了穩(wěn)態(tài)，芯片上的最高結(jié)溫達(dá)到了71.17℃，此后結(jié)溫基本維持不變。鍵合線由于和芯片焊接，且本身的熱導(dǎo)率相對較大，所以芯片的熱量隨著鍵合處傳到了鍵合線的各個部分，從圖中可以看到鍵合線上的溫度波動和芯片的溫度波動保持一致。溫度僅僅低5℃左右。和仿真前分析的狀態(tài)一致，模塊的各個部分的溫度都隨著芯片的結(jié)溫波動而發(fā)生了改變。當(dāng)時間超過10s，施加的功率載荷小時候，芯片的溫度便開始下降，先快后慢。直至達(dá)到環(huán)境溫度。圖3-18為IGBT芯片的熱應(yīng)力變化分布圖。由于功率信號的作用時間相對一般的功率循環(huán)時較短，且網(wǎng)格劃分較密，計算量較大，導(dǎo)致熱應(yīng)力分布圖中出現(xiàn)了平臺，最理想的應(yīng)力分布圖應(yīng)該是接近光滑的變化的曲線。IGBT芯片在經(jīng)過一定時間功率信號的沖擊，芯片表面的熱應(yīng)力分布范圍從10MPa到60MPa之間，在經(jīng)過6-7個周期，芯片的最大熱應(yīng)力逐漸穩(wěn)定，但是熱應(yīng)力總體呈上升趨勢，這也就解釋了在IGBT功率模塊進行功率循環(huán)時的熱應(yīng)力累積效應(yīng)。圖3-21IGBT芯片熱應(yīng)力分布圖圖3-19為鍵合線上的應(yīng)力分布圖，可以明顯看出在鍵合線與芯片焊接的地方，熱應(yīng)力是最大的，距離芯片鍵合處的距離越遠(yuǎn)熱應(yīng)力越小，鍵合線上的熱應(yīng)力波動幅度較大，焊接處及其脆弱，而應(yīng)力的變化率幾乎為600%，鍵合處不斷的收到熱應(yīng)力的沖擊，所以IGBT鍵合線的脫落成為了封裝失效的重要原因之一。鍵合線本身就是金屬材料通過引線鍵合技術(shù)與芯片鍵合的，且材料一般為