2.4 热机械设计

功率半导体器件在正常工作时会不断地进行导通和关断，由于每次开关过程中都会有能量的消耗，同时消耗的能量转化为热能，从而使模块内部有大量的热量产生，导致器件内部温度发生变化以及出现温度不均匀的现象。此外，功率半导体器件可能应用于极恶劣环境中，外界极高温至极低温环境的变化也会造成功率半导体器件温度的变化。由于功率半导体封装体中封装材料多样，各材料的热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion，CTE）可能不匹配，因此，当温度改变时，会在功率半导体封装内部产生应力。该应力可能局部存在，如个别芯片、部分引线等；也可能全局存在，如焊料层、基板等；这将会直接影响器件的性能，并且长期使用将会造成器件失效，如焊料层分层、芯片产生裂纹等。因此，在功率半导体封装设计时，力学性能与温度的变化密切相关，为了保证封装的力学性能及可靠性，需要对封装进行热机械设计。

2.4.1 应力分析

材料都具有临界受力点或临界热应力，IGBT 模块封装中的各种材料的临界应力值如表2-7所示。如果实际热应力超过这一数值，就会出现断裂失效的危险，其中硅芯片的脆性是分析热应力的关键。在对硅片进行切割、抛光或研磨过程中也可能产生裂纹。对于类似硅片的易碎材料，其临界应力S可以按照下面的公式进行计算：

式中，K为材料的断裂韧度，单位为MPa·m^1/2；a为裂纹长度；对于不同的裂纹， Y取不同的值，边缘裂纹、表面裂纹和嵌入裂纹对应的Y值分别为1.3、1.4与1.56。

对于硅片，其断裂韧度K为0.7～0.8。当硅片边缘存在3μm长的裂纹时，其临界应力为5.36×10⁴ psi；当裂纹长度为12μm时，其临界应力为2.7×10⁴ psi。

芯片通过焊料贴装到衬板上。衬板由不同的材料制成，这些材料的热膨胀系数（CTE）不匹配时产生的应力一旦超过芯片的临界应力，就可能使其断裂，最大应力位于芯片拐角处，如图2-22所示。

最大应力可以用下面的公式进行定量描述：

式中，S_M为芯片拐角处的最大应力；CTE_S为衬板的热膨胀系数；CTE_D为芯片的热膨胀系数；T_P为工艺温度（焊料的凝固温度）；T_A为环境温度；L为芯片的最大尺寸；G为焊料的剪切模量；t_B为焊料层厚度；t_S为衬板厚度；E_D为芯片的弹性模量；t_D为芯片的厚度；E_S为衬板的弹性模量。

利用上面的公式计算出的芯片应力只要不超过其临界应力，这种结构就可行。当然，计算出的应力越低于临界应力，这种结构的可靠性就越高。

根据上述公式，芯片的尺寸越大，芯片中的应力越高。因此，对于特定的衬板来说，芯片尺寸存在一个最大值。在小于临界应力的情况下，允许焊接在衬板上的芯片的面积越大，该焊料的性能就越优良。

在衬板与基板的焊接中，也存在因热膨胀系数失配而导致的应力现象。另外，在用螺钉将基板与散热器固定时，基板也会在应力作用下弯曲。通常的解决措施是预先将基板做成微拱形，以抵消这些应力的作用。

2.4.2 热机械仿真

对2.3节中预置微通道的IGBT模块进行热应力分析。模型中所需的材料参数如表2-6所示。假设硅芯片和氧化铝陶瓷是有弹性的，分别采用Anand黏塑性本构模型和Chaboche随动硬化模型来描述焊料和铜的力学性能；对模型中各个部件重新进行网格划分，局部网格如图2-23所示。然后通过施加相应的温度载荷或功率载荷及边界条件，计算得到IGBT模块翘曲及应力云图。

1.回流焊接工艺过程中的热应力分析

IGBT模块在回流焊接工艺过程中，底板的底面接触热板，按照回流焊接温度曲线将该温度作为热载荷加载到底板底面。IGBT模块中包含两层焊料层，为了简化工艺、缩短流程，通常采用同样成分的焊膏一次性回流完成。试验中所采用的回流焊接温度曲线如图2-24所示，整个回流过程持续280s。

由于 IGBT 模块的几何结构并不对称，封装体内的温度分布不均匀，同时芯片、焊料、DBC基板和铜底板等各层材料的热膨胀系数不匹配，因此随着温度的变化会产生热应力，焊接工艺后IGBT模块内存在残余应力。

为了简化回流焊接工艺的模拟过程，假设回流焊接前 IGBT 模块封装内部不存在预应力，丝网印刷的焊膏厚度均匀一致，且芯片及DBC基板平稳地放置在焊膏上，二者形状匹配良好。在铜底板的底面施加回流焊接温度载荷，其中模拟过程具体分为两步：①温度从室温升高至峰值（ T_p=236℃）再降低到焊膏熔点（T_m=217℃），在这一过程中，焊膏经历了从常态变为熔化状态的过程，从室温到第一次达到熔点的升温过程中产生的热应力几乎完全释放，因此采用“杀死单元”的方法，将焊膏单元全部屏蔽；②温度从焊膏熔点降低到室温，在这一过程中，重新“激活”焊膏单元，并将第一步中的应力结果作为预应力加载到相应结构中，参考温度设置为217℃。

在冷却到室温的过程中，铜的收缩量比硅芯片更大，因此铜呈现凸起状的弯曲，芯片承受拉应力。回流焊接工艺结束后模块的总形变分布如图2-25所示，模块发生形变且最大变形量达到160.212μm。为验证有限元模型的准确性，采用三坐标试验仪测试实际的模块变形量。在铜底板上选取25个测试点进行接触式精确测量，从而得到整个底板的翘曲分布。测试结果表明，IGBT模块回流焊接后的样品1和样品2的最大翘曲量分别为164.2μm和166.0μm，均表现为凸起形状，与有限元仿真结果基本一致。

进一步分析IGBT模块中芯片的应力，确定芯片断裂失效危险点。图2-26给出了硅芯片上表面和下表面的第一主应力和第三主应力的分布，其中最大第三主应力出现在芯片的上表面，是芯片断裂失效的最危险的位置；然而硅芯片的抗拉强度为380MPa，因此回流焊接工艺后芯片不会出现损坏的情况。

2.IGBT工作过程的热应力分析

回流焊接工艺过程造成的 IGBT 模块中的残余应力显然会对模块在工作状态中的应力应变情况有影响。在模块工作期间，将残余应力作为预载荷加载到有限元模型中，计算模块正常工作状态下的翘曲情况，结果如图2-27所示。同样采用三坐标测量方法测量模块的翘曲程度，样品1和样品2在工作状态下的形变分别为18μm和12μm，测试结果和变形趋势均与有限元分析结果一致。

图2-28 和图2-29 分别给出了IGBT 模块在工作状态下芯片下表面和上表面的拉应力（第一主应力）和压应力（第三主应力）。在与焊料层接触的芯片下表面，拉应力和压应力的变化趋势几乎相同，芯片各点位置的应力变化较小，最大拉应力为70.1MPa，最大压应力为57.3MPa，均出现在芯片边角处。然而，芯片上表面的拉应力和压应力的变化趋势相差较大，这是因为芯片弯曲且没有焊料层来释放应力，拉应力几乎为零，而压应力则沿着y轴方向增加并在芯片中央达到最大值188.2MPa，远远大于芯片底面相同位置的压应力。由此可见，无铅焊料的屈服行为有助于降低芯片应力。

3.热机械性能优化设计：IGBT模块几何结构优化

为了进一步优化预置微通道IGBT模块的热机械性能，降低硅芯片应力，可调整IGBT模块中铜底板以及焊料层的厚度。采用有限元模型分析中的参数扫描方法（Parameter Sweep），定义芯片和DBC基板上铜层之间的焊料层为TIM1，DBC 基板下铜层与铜底板之间的焊料层为 TIM2。不同厚度铜底板和焊料层的IGBT热机械性能仿真结果如表2-8所示，可见铜底板厚度增加时，硅芯片应力增加；而增加焊料层厚度，可以降低硅芯片应力。