基于工藝力學IGBT模塊回流工藝研究.pdf

1、隨著電力電子技術的發(fā)展，功率電子器件已經邁入飛速發(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、驅動功率小、控制簡單、開關損耗小、開關速度快等諸多優(yōu)點

2、已經被廣泛應用于軌道交通、電機控制、光伏發(fā)電、家用電器、智能電網等領域。隨著功率器件的功率密度需求不斷提高，IGBT模塊的可靠性問題日益凸顯，特別是在如軌道交通、電動汽車、航空航天等零容錯的領域，任何形式IGBT模塊的失效都可能是致命的并伴隨大量的經濟損失。由于國內IGBT模塊封裝工藝技術水平長期落后于國外，導致國內廠商生產的模塊可靠性遠低于國外廠商，特別是1200V以上的IGBT模塊市場基本上已經被如英飛凌、三菱和ABB等國外廠商壟斷

3、。本課題針對IGBT模塊封裝工藝中的一些基礎性科學與工程問題展開研究，旨在基于工藝力學結合IGBT模塊封裝材料和結構來研究提高IGBT模塊封裝工藝質量和IGBT模塊的可靠性，為打破國外技術壟斷，促進國內IGBT模塊封裝技術的研究與發(fā)展奠定一定的理論和技術基礎。
　　回流焊工藝是IGBT模塊封裝工藝中至關重要的一步，是控制模塊封裝質量的重要環(huán)節(jié)。研究與工程實踐表明，大部分IGBT模塊的可靠性問題都與IGBT模塊回流工藝質量有關，在I

4、GBT回流工藝中容易產生焊料飛濺、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IGBT模塊會產生較大的殘余應力和翹曲，這不僅會影響后續(xù)封裝工藝，增加后續(xù)工藝實施難度，降低工藝質量，更會直接影響模塊可靠性，降低模塊使用壽命。因此對IGBT回流工藝的研究至關重要。本文基于工藝力學從封裝材料、封裝結構以及工藝參數三個方面對IGBT模塊回流工藝進行系統深入的研究。針對IGBT模塊焊點尺

5、度和回流溫度變化特性，研究無鉛焊料不同溫度下的應力應變特性，提出了適用于高溫的無鉛焊料的粘塑性本構模型的優(yōu)化方案，基于得到的材料數據以及修正的本構模型，利用數值模擬和實驗的方法針對影響模塊可靠性在IGBT模塊回流工藝中常見的至今仍無法有效解決的若干問題進行了定量深入的研究，通過研究缺陷產生機制和影響因素，分析回流工藝對IGBT模塊疲勞壽命的影響，優(yōu)化回流工藝參數和模塊封裝結構，提出改進方案，從而大幅提高IGBT模塊回流工藝質量和模塊可靠

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計及評估提供重要的參考依據，并且為IGBT模塊研究提供一套成熟完整的工藝力學分析方法。
　　本論文的主要工作及創(chuàng)新點包括：
　　1.將工藝力學引入IGBT模塊封裝中，提出IGBT模塊封裝連續(xù)工藝力學的概念，系統闡述了IGBT封裝工藝力學應力應變特性和封裝材料斷裂評估標準，提出完善的連續(xù)工藝力學研究分析方法以并應用于IGBT模塊封裝可靠性問題分析。
　　2.本文

7、系統闡述了無鉛焊料的Anand粘塑性本構模型，針對Anand粘塑性模型高溫失準等問題，提出適用于IGBT回流工藝粘塑性本構模型的修正方案，基于IGBT模塊焊點尺度分析其溫度和蠕變特性，研究其高溫下工藝力學特性，為無鉛焊料應用IGBT封裝提供可靠的工藝力學特性數據。
　　3.針對回流溫度曲線進行了系統研究，根據阻焊劑在回流工藝各階段作用分析研究了焊膏阻焊劑對回流溫度曲線的影響，引入預熱因子的概念，分析論證了回流預熱和保溫階段升溫速度

8、和保溫時間對焊點質量的綜合影響。通過分析回流過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對回流溫度曲線的影響，并通過加熱因子方法研究了回流溫度和持續(xù)時間對焊點質量的影響，從而擴寬了回流溫度曲線設置的工藝窗口。分析研究了IGBT模塊封裝結構對回流溫度曲線的影響，協調了設置溫度曲線、理想溫度曲線和實際經歷溫度曲線之間的關系，通過優(yōu)化，使焊料層實際經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量。
　　4.由于IGBT模塊的封裝材料的熱膨脹系數不同，因此回流過程中大范圍溫度變化引起的IGBT模塊中的殘余應力和翹曲不可避免，特別是因回流產生的IGBT模塊的翹曲，將會直接影響后續(xù)封裝工藝和模塊實際應用中的裝配過程。本文研究分析了IGBT封裝結構和材料對回流引起的翹曲和殘余應力的影響。基于連續(xù)工藝力學分析了銅基板中用于增強模塊散熱內置微通道對回流引起的殘余應力和翹曲的影響，驗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力和翹曲的方法，通過有限元方法以及實驗，驗證了三種方法在減少IGBT模塊因回流引起的翹曲上具有顯著的效果，為國內IGBT模塊生產提供了切實可行的減少翹曲方法。
　　5.本文通過有限元模擬和實驗驗證的方法，研究了焊料層傾斜對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生機理，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。利用數