基于工藝力學(xué)IGBT模塊回流工藝研究.pdf

1、隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，功率電子器件已經(jīng)邁入飛速發(fā)展的階段，絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor-IGBT）作為功率器件中新一代的復(fù)合型全控功率器件集成了MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）和GTR（Giant Transistor）的特性，因其輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、控制簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)損耗小、開(kāi)關(guān)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)

2、已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于軌道交通、電機(jī)控制、光伏發(fā)電、家用電器、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。隨著功率器件的功率密度需求不斷提高，IGBT模塊的可靠性問(wèn)題日益凸顯，特別是在如軌道交通、電動(dòng)汽車(chē)、航空航天等零容錯(cuò)的領(lǐng)域，任何形式IGBT模塊的失效都可能是致命的并伴隨大量的經(jīng)濟(jì)損失。由于國(guó)內(nèi)IGBT模塊封裝工藝技術(shù)水平長(zhǎng)期落后于國(guó)外，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)廠商生產(chǎn)的模塊可靠性遠(yuǎn)低于國(guó)外廠商，特別是1200V以上的IGBT模塊市場(chǎng)基本上已經(jīng)被如英飛凌、三菱和ABB等國(guó)外廠商壟斷

3、。本課題針對(duì)IGBT模塊封裝工藝中的一些基礎(chǔ)性科學(xué)與工程問(wèn)題展開(kāi)研究，旨在基于工藝力學(xué)結(jié)合IGBT模塊封裝材料和結(jié)構(gòu)來(lái)研究提高IGBT模塊封裝工藝質(zhì)量和IGBT模塊的可靠性，為打破國(guó)外技術(shù)壟斷，促進(jìn)國(guó)內(nèi)IGBT模塊封裝技術(shù)的研究與發(fā)展奠定一定的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
　　回流焊工藝是IGBT模塊封裝工藝中至關(guān)重要的一步，是控制模塊封裝質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。研究與工程實(shí)踐表明，大部分IGBT模塊的可靠性問(wèn)題都與IGBT模塊回流工藝質(zhì)量有關(guān)，在I

4、GBT回流工藝中容易產(chǎn)生焊料飛濺、焊料層空洞、多層焊料坍塌、焊料層裂紋等工藝缺陷，還會(huì)由于回流工藝溫度變化特性與封裝材料熱失配，回流以后會(huì)IGBT模塊會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力和翹曲，這不僅會(huì)影響后續(xù)封裝工藝，增加后續(xù)工藝實(shí)施難度，降低工藝質(zhì)量，更會(huì)直接影響模塊可靠性，降低模塊使用壽命。因此對(duì)IGBT回流工藝的研究至關(guān)重要。本文基于工藝力學(xué)從封裝材料、封裝結(jié)構(gòu)以及工藝參數(shù)三個(gè)方面對(duì)IGBT模塊回流工藝進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。針對(duì)IGBT模塊焊點(diǎn)尺

5、度和回流溫度變化特性，研究無(wú)鉛焊料不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變特性，提出了適用于高溫的無(wú)鉛焊料的粘塑性本構(gòu)模型的優(yōu)化方案，基于得到的材料數(shù)據(jù)以及修正的本構(gòu)模型，利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方法針對(duì)影響模塊可靠性在IGBT模塊回流工藝中常見(jiàn)的至今仍無(wú)法有效解決的若干問(wèn)題進(jìn)行了定量深入的研究，通過(guò)研究缺陷產(chǎn)生機(jī)制和影響因素，分析回流工藝對(duì)IGBT模塊疲勞壽命的影響，優(yōu)化回流工藝參數(shù)和模塊封裝結(jié)構(gòu)，提出改進(jìn)方案，從而大幅提高IGBT模塊回流工藝質(zhì)量和模塊可靠

6、性。本課題研究成果能為 IGBT模塊的封裝工藝研究和可靠性設(shè)計(jì)及評(píng)估提供重要的參考依據(jù)，并且為IGBT模塊研究提供一套成熟完整的工藝力學(xué)分析方法。
　　本論文的主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)包括：
　　1.將工藝力學(xué)引入IGBT模塊封裝中，提出IGBT模塊封裝連續(xù)工藝力學(xué)的概念，系統(tǒng)闡述了IGBT封裝工藝力學(xué)應(yīng)力應(yīng)變特性和封裝材料斷裂評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，提出完善的連續(xù)工藝力學(xué)研究分析方法以并應(yīng)用于IGBT模塊封裝可靠性問(wèn)題分析。
　　2.本文

7、系統(tǒng)闡述了無(wú)鉛焊料的Anand粘塑性本構(gòu)模型，針對(duì)Anand粘塑性模型高溫失準(zhǔn)等問(wèn)題，提出適用于IGBT回流工藝粘塑性本構(gòu)模型的修正方案，基于IGBT模塊焊點(diǎn)尺度分析其溫度和蠕變特性，研究其高溫下工藝力學(xué)特性，為無(wú)鉛焊料應(yīng)用IGBT封裝提供可靠的工藝力學(xué)特性數(shù)據(jù)。
　　3.針對(duì)回流溫度曲線進(jìn)行了系統(tǒng)研究，根據(jù)阻焊劑在回流工藝各階段作用分析研究了焊膏阻焊劑對(duì)回流溫度曲線的影響，引入預(yù)熱因子的概念，分析論證了回流預(yù)熱和保溫階段升溫速度

8、和保溫時(shí)間對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量的綜合影響。通過(guò)分析回流過(guò)程中焊料與銅基板之間形成的金屬間化合物IMC（Intermetallic compound），研究IMC對(duì)回流溫度曲線的影響，并通過(guò)加熱因子方法研究了回流溫度和持續(xù)時(shí)間對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量的影響，從而擴(kuò)寬了回流溫度曲線設(shè)置的工藝窗口。分析研究了IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)對(duì)回流溫度曲線的影響，協(xié)調(diào)了設(shè)置溫度曲線、理想溫度曲線和實(shí)際經(jīng)歷溫度曲線之間的關(guān)系，通過(guò)優(yōu)化，使焊料層實(shí)際經(jīng)歷的溫度曲線更貼近于理想回流溫度

9、曲線，從而提高了回流焊接質(zhì)量。
　　4.由于IGBT模塊的封裝材料的熱膨脹系數(shù)不同，因此回流過(guò)程中大范圍溫度變化引起的IGBT模塊中的殘余應(yīng)力和翹曲不可避免，特別是因回流產(chǎn)生的IGBT模塊的翹曲，將會(huì)直接影響后續(xù)封裝工藝和模塊實(shí)際應(yīng)用中的裝配過(guò)程。本文研究分析了IGBT封裝結(jié)構(gòu)和材料對(duì)回流引起的翹曲和殘余應(yīng)力的影響?；谶B續(xù)工藝力學(xué)分析了銅基板中用于增強(qiáng)模塊散熱內(nèi)置微通道對(duì)回流引起的殘余應(yīng)力和翹曲的影響，驗(yàn)證了微通道冷卻方法用于I

10、GBT模塊中的可行性。提出了三種用于減少回流引起的殘余應(yīng)力和翹曲的方法，通過(guò)有限元方法以及實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了三種方法在減少I(mǎi)GBT模塊因回流引起的翹曲上具有顯著的效果，為國(guó)內(nèi)IGBT模塊生產(chǎn)提供了切實(shí)可行的減少翹曲方法。
　　5.本文通過(guò)有限元模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，研究了焊料層傾斜對(duì)IGBT模塊疲勞循環(huán)壽命的影響，基于自由能最小原理研究了IGBT模塊焊料回流傾斜的產(chǎn)生機(jī)理，分析焊料回流傾斜影響因素，為減少回流傾斜提供重要參考依據(jù)。利用數(shù)