Yuji Sato, Yusaku Ito, Ken Sa kamoto, Koji Yamazaki, Takashi Ijima, Ryuichiro Hanada, Tetsu Negishi, Hiroshi Kobayashi, Shinnosuke Soda, and Kazuyasu Nishikawa Advanced Technology R&D Center, Mitsubishi Electric Corporation, Hyogo, Japan Correspondingauthor: Yuji Sato, Email: Sato.Yuji@dw.MitsubishiElectric.co.jp
设计了一个功率循环寿命比现有结构增长20倍以上的功率模块。绑定线、芯片连接处和基板焊点的恶化是影响功率循环寿命的主要因素。基于实验和分析结果，我们设计了一种无焊料结构来实现高可靠性功率模块的目的。这种无焊料结构使用一体化基板，其直接粘接底板和绝缘基板而不使用焊料。从分析发现, 这种新结构除了能实现模块的高可靠性，还能因为低热阻减少Tjmax和ΔTj。分析表明，3.3 kV LV100封装使用这些技术和铜绑定线，其功率循环寿命是现有结构的56倍。
最近针对功率模块更长功率循环寿命的需求有所增加，如高铁等应用[1]。同时碳化硅器件也需要在高结温下运行。为了满足这些需求，根据功率循环测试经验，模块损坏的根源是连接芯片和外部端子的绑定线、芯片焊接层的材料和底板焊接层。这些方面的老化是影响功率循环寿命的主要因素[2,3,4]。高结温运行促进了高耐热元件[2]的发展。许多报告都提到了高耐热线的发展，其可用于连接芯片、外部端子和高耐热芯片焊接层[5,6]。通过提高芯片连接、外部端子和芯片焊接层材料的可靠性后，底板焊接层的劣化成为影响功率循环寿命的主要因素。 根据实验和分析结果，本文提出了一种可实现高可靠性和高生产率要求的无焊料结构。通过将超声波焊接端子和铜线结合到我们的无焊料结构中，我们设计了一个比我们现有结构长20倍功率循环寿命的结构。 在本文中，我们以当前结构作为参考结构。我们开发的无焊料结构和参考结构的原理图如图1所示，并在表1中列出了两者的组成元素进行比较。该开发结构由SiC-MOSFET组成，可在高结温下工作。为了实现图1(a)中的开发结构，对图1(b)中的参考结构进行了更改，涉及绝缘基板/底板、芯片连接、绑定线/电极和超声波焊接元件。 下面将从绝缘基板/底板改变、芯片焊接层材料和超声波焊接方面阐述我们的设计理论。 在我们开发的结构中，绝缘基板和底板采用了集成元件(无焊接绝缘底板)。相比之下，参考结构中的绝缘基板和底板作为单独的元件，通过焊料结合。如介绍中所述，基于功率循环试验，绝缘基板和底板之间的焊料层中也会产生疲劳。 因此，我们分析了参考结构中绝缘基板与底板之间的焊料劣化对功率循环寿命的影响。我们特别进行了传热分析。首先，我们创建两个模型来分别模拟无焊料恶化发生和有焊料恶化发生。然后，对两种模型设定相同的热条件后进行稳态传热分析，并比较了两种模型的Tjmax 。这里假定劣化只发生在绝缘基板和底板之间的焊料中。当多个芯片同时产生热量时，热量集中在芯片安装区域的中心，导致该安装区域内有温度分布。然而，半导体电阻与温度有关，因此流过的电流和产生的热量会随着芯片安装位置的变化而变化。因此，为了更准确地模拟实际功率循环测试中的热条件，我们考虑到芯片之间产生热量的差异，调整了热条件。 众所周知，焊料的劣化会出现垂直或水平裂纹[7]。这一方面，水平裂纹反映了一个焊料层的面积会随着裂纹增加而减少的模型；另外一方面，垂直裂纹则反映了焊料层导热系数恶化的模型[8]。Tjmax 随焊料劣化程度的增加而升高。在此分析中，我们设立了几个具有不同程度焊料劣化的模型，并根据这些模型绘制了Tjmax 的变化。 结果如图2所示。图中，纵轴表示无劣化模型的Tjmax 与有劣化模型的Tjmax 之间的差值。水平轴表示水平裂纹扩展比例，我们定义为模型中水平裂纹长度与未劣化焊料总长度之比。结果表明，Tjmax 随焊料劣化呈加速增长趋势，在水平裂纹增长率为4.5%的情况下，Tjmax 增加了11.2℃。由此可见，绝缘基板与底板之间的焊料劣化对模块可靠性有很大影响。相比之下，在新开发的结构中将基板和底板一体化，消除了底板焊锡层，减少了一个导致失效发生的因素。研究发现，与有焊锡层结构相比，所开发的无焊锡层结构模块具有较高的可靠性。 此外，焊锡层的缺失降低了模块的热阻，提高了散热。因此可以预期，在产生热量相同的情况下所做开发结构的Tj 小于参考结构的Tj 。为了降低开发结构的热阻，除了采用无焊料结构外，还对铜层厚度、陶瓷厚度等进行了改变。与参考结构相比，开发结构的热阻降低了14%。从热循环试验中也证实开发结构没有发生机械劣化。 另外，热分析表明，热阻的降低有助于减小Tj 。我们通过创建图1所示的开发结构和参考结构的模型来进行分析。对于参考结构的模型，我们采用与图2分析时相同的模型。我们还对两种模型进行了瞬态热分析，在相同的热条件下，确定并比较了两种模型的Tjmax 和△Tj 。这里，由于散热器温度是Tjmax 的下限，我们比较了（Tjmax -散热器温度）的值。△Tj 的值为Tjmax 与Tjmin 之差。此外，由于这是一个瞬态热分析，我们可以把器件关断时没有热量产生的温度作为Tjmin 。分析结果以参考结构为基准进行计算。 分析结果如图3所示。结果表明，与参考结构相比，新开发结构的Tjmax 降低了16%，△Tj 降低了22%。由于Tjmin 不会下降到散热器温度以下，所以Tjmin 的下降有一个限制，因此△Tj 下降了。在本次评估中，我们将芯片产生的热量设为恒定。而在实际的功率循环试验中，导通电阻随着Tjmax 的减小而减小，因此产生的热量也随之减小。因此，我们认为在给模块通恒流时，Tjmax 和△Tj 会进一步减小。 图3 开发结构与参考结构热阻，Tjmax 和△Tj 的比较 在开发的结构中，我们使用烧结银作为芯片连接材料，而在参考结构中则使用焊料作为芯片连接材料。烧结银具有良好的结合性能，适用于对可靠性要求高的模块;它常用于对结温要求较高的功率模块。通过基础实验和数值分析，我们研究了烧结银和焊料作为芯片连接材料的功率循环寿命。在本研究中，我们假设劣化只会发生在芯片连接材料。 基于以往的评估结果，通过数值分析可以计算出由于焊料劣化而达到功率循环寿命所需的循环次数。另一方面，没有足够的评价结果来预测由于烧结银变质而达到功率循环寿命所需的循环次数。由于在功率循环寿命测试中烧结银不容易发生劣化，因此通常功率循环寿命是由绑定线劣化决定的。在本研究中，我们用以下方法估计烧结银的功率循环寿命。这里需要两个信息来估计银的寿命。一个是银裂纹扩展速率，另一个是模块失效时烧结银中可预期的水平裂纹距离。 银裂纹扩展速率的确定方法如下。首先，我们制作烧结银的试样，并对每个试样施加不同的应力，直到烧结银结断裂。接下来，我们通过应力分析再现了施加纯应力到试样上的状态，并计算了烧结银结中产生的应力数值。然后，从烧结银断裂的循环次数和分析结果出发，计算裂纹扩展速率(mm/cyc)与任意应力的关系。 接着，我们利用应力分析计算了烧结银在功率循环试验中产生的应力。然后，根据前面计算的裂纹扩展速率与应力的关系，确定了开发结构在功率循环试验时的裂纹扩展速率。 接下来，我们按以下方式确定了模块失效时预计的水平裂纹距离。首先，通过稳态传热分析，确定了Tjmax 与烧结银中水平裂纹距离的相关性，并计算了Tjmax 失效时的水平裂纹距离。稳态传热分析基于与上述应力分析相同的模型，并涉及到创建可能发生水平裂纹的结构。这里用于再现水平裂纹的方法与分析底板焊料时再现水平裂纹的方法相同。 分析结果如图4所示。结果表明，烧结银结的功率循环寿命比焊料的功率循环寿命长54.7倍。相对于20的目标倍数，这个倍数表示足够的可靠性水平。简而言之，我们发现使用烧结银作为芯片连接的模块具有足够的功率循环寿命，比使用焊料的模块长20倍以上。 我们用超声波焊接将端子与绝缘基板上的铜层连接起来。在参考结构中，端子是通过焊料粘结的。然而，焊点疲劳有时会导致模块失效。使用超声波焊接，基板与底板之间不会发生故障。 此外，开发结构的绑定线/电极为铜线，而参考结构为铝线。在使用铝线的结构中，线/芯片的劣化往往是影响功率循环寿命的主要因素。与铝线相比，采用铜线/镀铜镀层的模块在功率循环试验中具有较高的可靠性。 我们通过应用开发结构来确定模块的功率循环寿命。我们使用3.3 kV LV100封装对开发结构和参考结构进行测试，因为3.3 kV LV100封装具有高可靠性。在相同的条件下，我们对所开发模块和参考结构模块进行了功率循环测试，分析了绑定线和芯片连接层达到功率循环寿命的循环次数。在所得到的循环次数中，取最小的循环次数作为开发模块的功率循环寿命。功率循环试验在结温(Tjmax )为175℃的条件下进行，电流和通断时间值固定。测试表明，开发模块的功率循环寿命约为参考结构模块的56倍(图5)。 在这个评估中，我们比较了相同结温的功率循环寿命。如前一节所述，开发结构的热阻较低，因此Tjmax 和△Tj 降低。这意味着在使用实际产品时，可靠性将得到进一步提高。考虑到Tjmax 和△Tj 的下降，我们模拟了实际产品的使用，并计算了功率循环寿命。图5中的蓝色箭头显示了这些结果。与传统的硅模块相比，使用开发结构的寿命有了很大的提高。 我们专注于以下改进: 绝缘基板/底板、芯片连接、端子-铜连接层和绑定线，并设计了具有高可靠性和高生产率的模块结构，其功率循环寿命是参考结构的20倍以上。基于评估和分析结果，我们开发了一种新结构的模块：使用无焊点绝缘底板，烧结银作为芯片连接材料，端子连接使用超声波焊接，以及铜线/铜电镀。特别是集成衬底，对于延长使用寿命有很大的作用。分析表明，无焊接层带来的热阻降低从而使Tjmax 和△Tj 降低。结果表明，在相同的工作电流下，所设计的结构比参考结构更可靠。通过分析确定了该结构应用于3.3 kV LV100封装时的功率循环寿命，发现采用本文设计结构的模块的功率循环寿命比参考结构长56倍。这种结构的另一个优点是，更少的专业化设备和更少的模块组装过程，从而显著提高生产率。此外，没有底板焊锡层导致较低的热阻，这意味着在相同的电流下运行的可靠性更高。
[1] Shift2Rail organization: https://shift2rail.org/
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