IGBT 模块热应力下的分层失效分析

刘江文,杨道国

(桂林电子科技大学 机电工程学院,广西 桂林 541004)

随着电子技术在近几年的快速发展,大功率器件和集成电路的应用越来越广泛。功率半导体器件广泛应用于电力电子行业中,尤其是高功率设备。其中IGBT 功率模块是电子产品的基础元器件之一,在电子化产业中扮演着至关重要的角色[1]。绝缘栅双极晶体管(IGBT)是由双极型晶体管(BJT)和绝缘栅型场效应管(MOS)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,IGBT 具备MOSFET 高输入阻抗和GTR 低导通压降两方面的优点,是MOSFET 和双极晶体管的成功组合[2]。IGBT 功率模块作为电力系统的核心部件,其性能和可靠性对应用系统有着至关重要的作用[3]。

国内外研究表明,热疲劳是导致IGBT 模块封装失效的最主要因素[3-5]。这是由IGBT 模块特殊的多层结构和各层材料之间的热膨胀系数不匹配导致的,当温度发生变化的时候,IGBT 模块中各层材料会反复受热膨胀和冷却收缩,由于各层材料之间的热膨胀系数不匹配,这种热失配会使得IGBT 模块经受热应力的反复作用,热应力的反复作用会引起材料和结构损伤,造成永久失效[6]。疲劳失效主要包括焊层疲劳失效,而焊层常见的疲劳形式有空洞、裂纹等。Huang 等[7]指出了焊料层和接触材料出现结温差时产生剪切应力,可知CTE(热膨胀系数)、结温差是影响焊料层剪切应力的关键因素;肖飞等[8]通过有限元仿真研究焊料层不同位置空洞对IGBT 模块结温和热-机械应力的影响,发现当空洞位置在边角位置时对模块的可靠性影响最大。……