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

=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(IGBT)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:TN603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 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 perspectives 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 solder 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 for 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: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 IGBT 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 28.0 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/mm1Al2O30.30.22Al2O30.60.33Al2O30.90.44Al2O31.20.65AlN0.30.36AlN0.60.27AlN0.90.68AlN1.20.49Si3N40.30.410Si3N40.60.611Si3N40.90.212Si3N41.20.313BeO0.30.614BeO0.60.415BeO0.90.316BeO1.20.22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