摘要

功率半导体？橥ǔ２捎眉跣〗峥侨茸璧姆绞嚼唇档凸ぷ鹘嵛拢 Pin-Fin 基板代替平板基板是一种有效选择。两种封装结构的热阻抗特性不同，可能对其失效机理及应用寿命产生影响。该文针对平板基板和集成 Pin-Fin 基板两种常见车规级 IGBT ？榻辛讼嗤攘Σ馐蕴跫（结温差 100K，最高结温 150℃）下的功率循环试验，结果表明，散热更强的 Pin-Fin ？楣β恃肥倜陀谄桨迥？。失效分析显示两者失效模式均为键合线脱附，但 Pin-Fin ？榈募鲜У慵性谛酒行那颍桨迥？榈募鲜У阍蚪衔稚。基于电-热-力耦合分析方法，建立功率循环试验的有限元仿真模型，结果表明，Pin-Fin ？榈男酒卤涮荻雀螅酒行那蚣系阄露雀撸剐酒行那虻募系闼苄员湫胃螅贾率倜掀桨迥？楦蹋胧匝榻峁呛。

随着社会发展和科技进步，电能对人类日常生活质量提升发挥着重要作用。绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）作为控制电能转换的核心零部件，其性能和可靠性对于电动化的推广应用起到推动作用。IGBT 正在朝着高可靠、小型化、高速开关、高功率密度、高工作结温的方向发展，这对于芯片和封装提出了更高的要求。IGBT 的封装形式有分立器件和？椋渲杏τ糜谛履茉雌、工业变频器、智能电网、轨道交通领域的多为大功率 IGBT ？椤７役中的 IGBT ？椋诘缒茏墓讨胁鸷姆⑷龋鹌骷结温的上升，对 IGBT ？榈目煽啃圆艽影响：一方面，过高的温度会直接引起器件过热失效；另一方面，随应用工况不断波动的芯片结温，也会导致器件内部互连结构发生热疲劳，引发器件的疲劳失效。基于上述原因，控制芯片结温，降低器件工作时的温度，成为器件开发的共性目标之一。在芯片层面，可以通过降低芯片压降进而减小功率损耗，降低芯片结温；在封装层面，可以通过降低器件热阻，提升器件散热效率，也可以实现降低结温的目标。

传统 IGBT ？橥ǔ２捎眉浣右豪涞纳⑷确绞剑如图 1a 所示，模块采用平板基板，通过基板与散热器表面贴合进行散热。为了降低接触热阻，通常在基板底面涂覆导热硅脂，以填充基板与散热器表面之间的缝隙。为了降低模块热阻，一些车规级 IGBT？椴捎眉 Pin-Fin（针翅）基板的直接液冷的方案，如图 1b 所示，避免了导热硅脂层和散热器表面的散热路径，使得散热效率得到了极大地提升。？槿茸璧慕档停沟孟嗤缌飨拢苯右豪淠？榈慕嵛赂停嵛虏ǘ。 CIPS2008 寿命模型计算，直接液冷？榈氖倜摺５蒔in-Fin 基板的引入，也是为了？樵谙嗤嵛绿跫下增强其出流能力，在低的测试电流下显然无法评估其封装可靠性。文献[7]在对比三家不同厂商的IGBT ？槭保悸悄？榈难菇、热阻特性的不同，分别对比了相同电流和相同热力条件两种测试模式下的可靠性寿命，结果表明两种测试模式下的结论完全不同。

实际应用时，为了最大程度发挥？樘匦院徒档统杀荆ǔＪ鼓？楣ぷ髟谧罡咴市斫嵛赂浇丛谙嗤攘μ跫下更能体现出模块封装可靠性的差异。因此，即使结温是影响封装可靠性的首要因素，在模块设计时也不能基于单一目标进行，文献[8]认为功率？槟诓看嬖诟丛拥牡-热-力多物理场耦合效应，寄生参数、热阻和可靠性相互制约，需要利用多目标协同优化设计方法。虽然集成 Pin-Fin？橄啾绕桨迥？槿茸杞档停⑷冉峁狗⑸吮浠贾氯热菀泊嬖诓钜欤词乖谙嗤娜攘μ跫下，内部各层组件也可能会表现出不同的温度分布和温度变化规律，最终都可能影响？榈姆役可靠性。文献[9]研究了功率循环试验中不同开通时间对模块失效机理的影响，基于实验和仿真分析揭示了内部温度分布的变化会直接改变？榈氖Ｊ。进一步地，文献[10]通过分立器件并联的方式巧妙的验证了芯片表面温度梯度对功率循环寿命的影响，然而没有在 IGBT ？橹薪醒橹。

本文旨在评估平板模块和集成 Pin-Fin ？樵诳煽啃苑矫娴牟钜欤ü嗤攘Σ馐蕴跫下的秒级功率循环试验，并结合有限元数值模拟方法，从温度分布、温变速率、芯片结温、？槿茸、热容、键合线热应力等维度进行对比，揭示了车规级可靠性标准条件下，散热底板对？槭倜挠跋旃媛桑阅？榈纳杓坪陀τ锰峁┲匾傅甲饔。

1.1 试验原理

IGBT ？榈纳杓剖倜ぃ履茉雌抵 IGBT？楣ぷ魇倜蟠锏15 年，风力发电机中IGBT ？楣ぷ魇倜蟠锏 25 年，机车牵引变流器中 IGBT ？楣ぷ魇倜踔烈笾辽俅锏 30 年。为了缩减试验周期，通常对 IGBT ？榻屑铀偈倜笛椋β恃肥匝槭枪系淖钪饕目煽啃圆馐苑椒ㄖ。功率循环是对 IGBT ？槭┘又芷谛缘缌鳎媚？樽陨砉ぷ魇辈墓β仕鸷模剐酒嵛路⑸芷谛圆ǘＤ庑酒陨榷阅？榭煽啃缘挠跋欤笛樵砣缤 2 所示。

功率循环试验的控制策略有固定导通关断时间、恒定结温差、恒定壳温差、恒定功率损耗等。固定导通关断时间的控制策略下，由于器件的老化会使热阻增加，引起芯片最高结温和结温差的上升，从而显著缩短？榈钠＠褪倜虼烁梅椒ǖ氖笛樘跫最为严苛，也更加接近实际工况。恒定结温差的控制策略下，随着？榈睦匣ü髡缂缌鞔笮『蜕⑷人髁浚构β恃肥匝榈母鞲鼋锥危酒慕嵛虏钗衷谙嗤乃剑嗟庇谠谄骷老化过程中进行主动补偿，因而会过高地估计模块疲劳寿命，其他两种控制策略也存在这种问题。因此，欧洲电力电子中心汽车电力电子？槿现すぷ髯榘洳嫉 AQG 324 标准中，规定了只能使用第一种控制策略，在功率循环试验过程中不能调整试验条件对老化进行补偿。

功率循环试验通常选取电热特征参数作为失效先兆参量，通过监测参数的变化来判断？榈淖刺。常用的 IGBT ？槭卣鞑问饕ㄐ酒嵛 Tj、集射极饱和压降 Vce(sat)和结-壳热阻 Rth(j-c)。结温通过温敏电参数法测得，如小电流下饱和压降Vce(sat)，然后通过校准关系换算得到。饱和压降Vce(sat)和结-壳热阻 Rth(j-c)则可以反映键合线和焊料层的老化状态，根据标准定义，当 Vce(sat)与初始值相比增加 5%或 Rth(j-c)与初始值相比增加 20%，可以判定器件失效，此时的循环数即为器件在该条件下的功率循环寿命。

1.2 待测器件及试验条件

本文的待测器件是两种不同散热结构的 750V/400 A 车规级 IGBT ？椋缤 3 所示，该？槲6 in 1 三相全桥电路拓扑，用于新能源汽车的电能转换和能量回收。为了避免试验条件对结果的影响，试验采用单一控制变量原则，两种模块的功率循环试验条件如表 1 所示，集电极电流 IC设置为 320 A，通过调节栅极电压的大。佣谙嗤牡缌飨率沟 不 同 模 块 达 到 相 同 的 热 力 条 件 ， 也 即 结 温 差ΔTj≈100 K，最高结温 Tjmax≈150℃。文献[9]中表明栅极电压对功率？槭倜挥杏跋欤β恃肥匝橹锌梢酝üぱ估吹鹘谀？榈墓β仕鸷。为了尽可能多的获得实验数据，同时减小？楦飨嘀涞娜锐詈洗吹挠跋欤笛楣讨薪 U 相、W 相的上管接入主电路，作为被测管。

2.1 热特性对比

功率循环实验过程中，通过测量？樾〉缌飨饱和压降 Vce(sat)，计算得到芯片结温 Tj。实验之前，需要对 Vce(sat)和 Tj 的关系进行标定，也即 K 曲线的标定。具体做法是，将？橹糜诨肪澄露仁匝橄淠冢肪澄露仁匝橄涞奈露壬柚梦？楣ぷ鹘嵛履诘囊桓龆ㄖ担欢问奔涞谋Ｎ拢鼓？榈奈露鹊酱锷瓒ǖ奈露戎担耸笨梢匀衔酒嵛录次柚玫幕肪呈匝橄湮露。在模块的栅极施加栅极电压，使？榇τ诳ㄗ刺？槭┘右桓鑫⑿〉牡缌鳎 100 mA，测量？榈谋ズ脱菇担吹玫礁梦露认履？榈谋ズ脱菇抵。随后，改变环境温度试验箱的温度，重复以上步骤，测量得到不同温度下的？楸ズ脱菇。对不同温度下的？楸ズ脱菇到邢咝阅夂希纯傻玫侥？ K 曲线。施加的小电流可以避免器件在电流作用下自生热，导致芯片结温升高，为测量带来误差。图 4 给出了 4 只？榈 K 曲线标定结果，拟合结果显示，饱和压降和芯片结温的线性相关程度较高。

图 5 给出了待测器件 1 和 3 在大电流关断后冷却过程中的芯片结温变化。使用热敏电参数 Vce(sat)来计算芯片结温时，Vce(sat)-Tj 的关系是在小电流下进行标定的，因此只能用来测量小电流下的压降，从而计算得到降温阶段的结温变化。使用热敏电参数 Vce(sat)来计算芯片结温，虽然不能获得功率循环试验中加热阶段的结温变化，但是降温过程和升温过程的温度变化是对称的。从测量结果来看，虽然两种不同封装形式的？榈慕嵛虏ǘ段б恢拢诮滴鹿讨校？ 3 的结温降温速率高于？1，这是由于 Pin-Fin 基板？椴唤鼋岬剿茸栊∮谄桨寤迥？椋淙热菀哺。沟 Pin-Fin 基板？榈纳⑷刃式细。由于 5 s 的冷却时间相对较长，使得平板基板？榈男酒嵛掠凶愎坏氖奔淅淙吹胶 Pin-Fin 基板？橄嗤奈露龋庖脖Ｖち松⑷刃氏喽越系偷钠桨寤迥？椋匀豢梢岳淙吹阶畹徒嵛 50℃的实验条件。

2.2 功率循环寿命

图 6 是？ 1 和？ 3 的 U1 管，在功率循环试验过程中的饱和压降、结温差、热阻变化曲线。为了便于直观地对各器件的功率循环寿命进行对比，选取？ 1 的 U1 管失效时的寿命为 N0，其余各管的功率循环寿命以 N0 为基础进行归一化。老化过程中，热阻的增幅不大，当器件失效时，？ 1 的 U1管热阻增大了 2.2%，？ 3 的 U1 管热阻增大了0.6%。实验结束时，？ 1 的 U1 管饱和压降增大了 6.9%，？ 3 的 U1 管饱和压降增大了 5.1%。在图 6 的饱和压降曲线中，还可以看到两次数据突变，这是由于键合线的脱落，使器件的电流回路电阻值增大，造成了饱和压降的增加。由此可以判断，器件的失效是由于键合线的脱落引起的，焊层出现了轻微的退化，但不是器件的主要失效模式。

4 只？榈墓β恃肥倜臣平峁缤 7 所示。在相同的结温差、最高结温的条件下，平板基板模块的寿命整体高于 Pin-Fin 基板？椋推骄倜裕琍in-Fin 基板？樵嘉 0.887N0，平板基板？樵嘉 0.969N0，比 Pin-Fin 基板？楦 9.2%。虽然Pin-Fin ？椴捎弥苯铀涞姆庾靶问浇档土巳茸瑁嵘松⑷饶芰屯髂芰Γ谙嗤攘μ跫下，Pin-Fin ？榈氖倜陀谄桨寤迥？椋龃臃庾翱煽啃缘慕嵌龋琍in-Fin 基板？槲薹ㄌ逑殖鲇攀啤

2.3 失效分析

当实验终止时，对模块进行失效分析。图 8 是实验结束后？ 1 的 U1 管照片，可以看到，芯片金属层上方的键合点出现了脱落现象，且脱落点不止一个，而衬板覆铜上的键合点完好。当键合线发生了脱落之后，同一芯片上剩余键合线的电流会瞬间增大，从而加速了键合线的脱落失效。

图 9 是实验后？ 1 的 U1 管芯片焊层超声扫描照片。从超声扫描结果来看，焊层的退化程度较。牍β恃肥匝楣讨腥茸璧谋浠媛梢恢。

图 10 给出了 4 只？榈募舷呤恢梅植。脱落的键合点均位于芯片表面金属层区域，衬板覆铜上键合点完好。脱落的键合点分布于芯片中心，芯片边缘键合线未发现失效。相对于平板基板？槎裕琍in-Fin 基板？橥崖涞募系愀蛹杏谛酒行奈恢谩

为了进一步对比不同散热基板形式？榈娜然械性能，进行了电-热-力多物理场耦合的有限元分析。有限元分析可以通过数值模拟的方式，获得在实验中不易测量的物理量，如温度梯度、应力、塑性应变等，为分析问题、解决问题提供了新的方法和工具。

3.1 仿真模型

仿真采用全尺寸三维模型，为了减少计算量，去除了管壳、母排端子、辅助端子、硅胶，仅包含芯片、键合线、焊层、衬板、基板等结构，其中基板分为平板基板和 Pin-Fin 基板两种形式。仿真模型忽略了？橹锌赡艽嬖诘娜毕荩覆慵蚧穸染、无空洞的层状结构。表 2 列出了仿真中使用的材料参数，其中，芯片电阻率采用文献[21]中提出的基于器件 I-V 特性的等效电阻率计算方法进行定义，铝键合线使用双线性弹塑性模型，屈服强度为 30 MPa，切线模量为 500 MPa。焊料使用 Anand 粘塑性本构模型[23-24]其余材料设置为弹性材料。

采用电-热-力多物理场耦合模拟功率循环试验中电流产生焦耳热，引起器件温度上升，导致器件各部件间产生热应力和变形。仿真条件和实验条件相同，通过对芯片加载和实验相同的电流来进行产热，基板底部施加对流换热边界，模拟散热器对？樯⑷。通过调整对流换热系数，使芯片平均结温在 50℃~150℃之间波动，与实验条件保持一致。

3.2 仿真结果

图 11 是平板基板模型和 Pin-Fin 基板模型的结温变化曲线，可以看到，Pin-Fin 基板？榈慕嵛卤浠俾矢哂谄桨寤迥？椋谏陆锥危琍in-Fin 基板？樾酒嵛略缬谄桨寤迥？樯咧磷畲笾担诮滴陆锥危琍in-Fin 基板？樾酒嵛孪陆狄脖绕桨寤迥？楦绱锏阶钚≈。下降阶段的温度变化趋势也在实验中得到了证实，如图 5 所示。

图 12 给出了大电流关断时刻，平板基板？楹Pin-Fin 基板？樾酒嵛碌姆植。大电流关断时刻，芯片达到最高温度，对于平板基板？椋酒行淖罡呓嵛挛 173.8℃，芯片边角最高结温为 106.2℃，温度差值为 67.6℃。与之相对的 Pin-Fin 基板？椋酒行淖罡呓嵛挛 176.8℃，芯片边角最高结温为102.6℃，温度差值为 74.2℃。结合图 11，两种不同结构的散热底板封装形式，在平均结温相同的条件下，Pin-Fin 基板模块的芯片结温分布更加不均匀，芯片上的温度梯度更大，芯片中心的最高温度更高。

进一步地，提取平板基板？楹 Pin-Fin 基板？樾酒砻娴 1 键合点和第 2 键合点位置的温度数据，如图 13 所示。键合点温度分布趋势与芯片结温分布趋势相同，芯片最中心区域的键合点温度最高，工况相对芯片边角的键合点更为严酷，增加了中心键合点失效的可能。Pin-Fin 基板模块的键合点，最高温为 170.82℃，平板基板？橄嗤恢玫募系悖露任 166.34℃，比 Pin-Fin 基板？榈 4.48℃。Pin-Fin 基板？樽畋咴导系愕奈露任 138.68℃，平板基板？橄嗤恢玫募系悖露任 142.13℃，比 Pin-Fin 基板模块高 3.45℃。同一芯片上的同一排键合点，Pin-Fin 基板？榈奈露炔钗 32.13℃，平板基板？槲 24.21℃。由此可以看出，Pin-Fin ？榧合点的温度差异更大，温度分布不均匀性相较于平板基板？楦现兀庖步馐土 Pin-Fin 基板？榈募舷叩耐崖涓性谛酒醒。平板基板？橥崖涞募系阆喽苑稚ⅲ牍ひ绽肷⑿韵喙。

图 14 是大电流关断时刻，平板基板？楹蚉in-Fin 基板模块键合线的塑性应变分布，键合点处出现塑性应变的最大值，平板基板？榧舷叩淖畲笏苄杂Ρ湮 2.335×10^-3，Pin-Fin ？榧舷叩淖畲笏苄杂Ρ湮 2.504×10^-3，相较平板基板？楦 7.2%。图 15 给出了有限元数值模拟得到的芯片中心键合点在 3 个循环周期内的塑性应变累积，可以看到，第三个循环和第二个循环的塑性应变增量差别较小，单个功率循环周期内的塑性应变量趋于稳定。在第三个循环的过程中，平板基板模块键合线的塑性应变变化量为 1.01×10^-3，Pin-Fin 基板模块键合线的塑性应变变化量为 1.36×10^-3，比平板基板？楦叱34.7%。

在相同的平均结温变化下，经过长时间的累积效应，Pin-Fin 基板？榧舷叩乃鹕私哂谄桨寤迥？榧舷叩乃鹕耍佣贾孪嗤骄嵛孪翽in-Fin 基板？榈墓β恃肥倜陀谄桨寤迥？。不论功率循环试验还是仿真分析，对比的是相同结温下的 Pin-Fin ？楹推桨迥？榻嵛卤浠俾识钥煽啃缘挠跋欤丛谙嗤攘μ跫下更能体现出模块封装可靠性的差异。实际 IGBT 服役工况下，Pin-Fin ？槿茸璧停嗤嵛孪缕涑隽髂芰ο啾绕桨迥？楦。为了最大程度发挥？樘匦院徒档统杀荆非蟾叩男约郾龋ǔＪ鼓？楣ぷ髟谧罡咴市斫嵛赂浇。IGBT ？椴返目煽啃砸笫峭ü付ㄎ露缺浠段跫下的功率循环试验，Pin-Fin ？楹推桨迥？榻鲈诠β恃肥倜洗嬖诓钜。

Pin-Fin 基板直接液冷的特性有效降低了 IGBT？檎迦茸瑁沟媚？樯⑷刃实玫搅思蟮靥嵘诘缍涤τ昧煊蛘鸩教娲称桨迥？。本文基于这两种 IGBT ？椋芯苛瞬煌⑷鹊装宥阅？楣β恃肥倜挠跋欤梢缘玫饺缦陆崧：

1）基于封装可靠性的视角，在相同结温波动和最高结温下，Pin-Fin 基板？樾酒砻嫖露确植疾痪瘸潭雀撸酒砻嫖露忍荻雀螅酒罡呶露雀撸行募舷叩乃苄员湫胃螅贾滦酒行募舷吒菀淄崖洌钪盏贾缕涔β恃肥倜啾绕桨迥？楦蹋

2）基于应用可靠性的视角，由于 Pin-Fin 基板模块热阻更。谙嗤涑龅缌飨缕渥罡呓嵛潞徒嵛虏ǘ停浞役寿命预计会更高。另外，更低的热阻意味着在最高允许结温下可以提高？榈某隽髂芰Γ逼渥罡呓嵛潞徒嵛虏ǘ不嵩黾樱役寿命也会低于平板模块；

3）为了满足应用的多重需求，？樯杓菩枰合考虑通流能力和可靠性能力，对于 Pin-Fin 基板？椋诟簧⑷鹊装褰档湍？槿茸璧耐保粢迪滞裙β恃肥倜残枰扇〈胧┨嵘淇煽啃。两者不是简单的替换关系，在设计目标方面应该是独立关系，在多物理场方面则是相互耦合关系，未来基于电-热-力多目标优化的设计方法尤为重要。

综上所述，本文从相同温度条件下对比分析了两种散热底板下的功率循环试验寿命差异。功率循环加速老化试验与实际应用条件之间存在差别，需采用更恰当的加速寿命试验方法和条件来表征器件在应用工况下的寿命。