IGBT功率循環(huán)疲勞壽命預(yù)測(cè)

1、Nanjing SilverMicro Electronics,LTDruvfrmicroIGBT模塊功率循環(huán)壽命預(yù)測(cè)姚二現(xiàn)】莊偉東彳常海萍】(1南京航空航犬人學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院江蘇省南京由2100152南京銀茂微電子制造有限公司江蘇省南京市211200)摘要：隨著IGBT功率模塊的廣泛應(yīng)用，Jt功率循環(huán)町嶺性受到重視，木文介紹了模塊的功率 循壞失效機(jī)理，指出鋁鍵介線剝離是模塊功率循壞失效的原因；甚I：冇限尤法計(jì)算了模塊在 功率循壞過(guò)程屮的溫度分布與變化，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算了模塊的應(yīng)力應(yīng)變；根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變數(shù) 值計(jì)算結(jié)果，分別采用應(yīng)變能法和應(yīng)變法等兩種疲勞破壞準(zhǔn)則預(yù)測(cè)了鍵介線疲勞壽命：研究 表明，鋁鍵

2、介線根部為模塊的疲勞危險(xiǎn)區(qū)：隨著芯片熱損耗的增加，芯片結(jié)溫變化幅度増加I， 功率模塊疲勞壽命急劇減小。關(guān)鍵詞：功率循環(huán)鋁鍵合線 有限元法疲勞壽命Power Cycle Fatigue Lifetime Estination of IGBT ModuleYAO Er-xian ZHUANG Wei-dongb CHANG Hai-pingB(a. College of Energy & Power, NUAA, Nanjing 210015 Chinab. Najing SilverMicro Electronics, Ltd. Nanjing 211200 China)Abstract

3、 The power cycle reliability of IGBT Modules was paid more and more attention because of its widely used In this paper, failure mechanism of power modules is int roduced, aluminum wire bond lift "off is the reason of power cycle failure of power modules.FEA was used to investigate the teniperat

4、ure distribution and change of module during power cycle, and based on the resuIt of thermal Simulation, stress and strain of module is con uted. According to the resu It of stress and st rain of module, life time of aluminum wire bond is estimat亡d The resuIts show that heel of aluminum wire bond is

5、 fatigue dangerous zone of module; with the increase of thermal dissipation of IGBT chip, the range of chip's t empera ture increase, and the life time of power module decrease rapidlyKey Words: power cycle; Aluminum bond wire; finite el emen t met hod; fati gue life time1引言IGBT功率模塊的封裝正朝著低成本、小尺寸

6、、高性能以及高町旅性發(fā)展。絲鍵介工藝是 最早發(fā)展起來(lái)的用于芯片與外界互連的技術(shù)，由于采用絲鍵介工藝可以通過(guò)改變連接線狐的 形狀和距離，使多種器件能使用同一基板和外殼，現(xiàn)在仍在模塊封裝工藝中占絕對(duì)統(tǒng)治地位。 常用的謎介線材料冇金、銅、鋁三種，由丁成本優(yōu)勢(shì)，鋁是普遍應(yīng)用的鍵介線材料。引線鍵介造成的失效占到半導(dǎo)體器件的失效的49%，可見(jiàn)鍵介線的可常性對(duì)整個(gè)模塊 的可靠性的影響是非常關(guān)鍵的。對(duì)功率模塊鋁鍵介線對(duì)靠性，國(guó)內(nèi)外口前的研究不多，Ramming er121等從引線鍵介工藝 產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力的角度討論了鋁線的引腳跟斷裂問(wèn)題，分析了熱膨脹系數(shù)欠配對(duì)失效的影 響，并從斷裂力學(xué)角度提出了應(yīng)變能破壞準(zhǔn)則來(lái)

7、確定裂紋擴(kuò)展方向。Koji Sasaki與Naok。 Iwasa利用裂紋張開(kāi)位移(COD)研究了二維狀態(tài)卜鍵介線的裂紋擴(kuò)展壽命。鋁鍵合線功率循環(huán)壽命町根據(jù)疲勞破壞進(jìn)程分為三個(gè)階段：裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和失穩(wěn) 剝離。由丁鋁鍵介線與芯片材料的熱膨脹系數(shù)不同，IGBT芯片與鍵合線在工作過(guò)程屮反復(fù)通 斷電，英溫度反復(fù)變化，由丁功率芯片硅材料與鋁線Z間熱膨脹系數(shù)的顯著差異，造成溫度 變化時(shí)在鍵介界而出現(xiàn)交變的熱應(yīng)力，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，在鍵介面附近產(chǎn)生疲勞裂紋。 裂紋一I.產(chǎn)生，模塊熱阻將急劇增加，結(jié)溫升高，裂紋擴(kuò)展速率加快，I大I此裂紋擴(kuò)展和失穩(wěn) 剝離是個(gè)很短的過(guò)程，鋁鍵合線功率循壞壽命的主要是裂紋萌生

8、壽命。木文根據(jù)模塊結(jié)構(gòu)利用數(shù)值計(jì)算軟(TANSYS構(gòu)建了IGBT功率模塊三維切片?？眨?jì)算了 鋁鍵介線在功率循壞條件卜的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，并分別根據(jù)應(yīng)變能法和Coffin-Manson法計(jì)行 了其功率循環(huán)壽命。2分析模型2.1鍵合線結(jié)構(gòu)功率模塊中的鋁鍵合引線互連如圖1所示，考電到該結(jié)構(gòu)H旳一定的周期性與對(duì)稱性，為縮 短分析時(shí)間，提高分析效率，選取單根鍵合線建立四分Z切片模型，如圖(2)所示。圖1功率模塊芯片上的鍵介線連接Figi Wire connections in power module計(jì)算時(shí)采取以卜處理：1、不考IS鍵介過(guò)程造成的殘余應(yīng)力應(yīng)變；2、各層材料完羌結(jié)介，無(wú)相対滑移：3、芯片均

9、勻發(fā)熱：4、忽略硅膠散熱；5、不考慮硅膠對(duì)鍵介線的壓力。為廣方便比較鍵合面不同位置的溫度與應(yīng)力應(yīng)變，定義鍵合面的四個(gè)特征點(diǎn)如圖3：圖2鍵合線的1/4有限兀模塑Fig 2.1/1 FEA model of bond wireFEA ReportJ2LNanjing SilverMicro Electronics丄TDrhvfrmicro圖3鍵介而四點(diǎn)的定義Fig S.Four points of bond interface2.2材料模型及參數(shù)人部分材料在計(jì)算中做彈性材料處理.比參數(shù)參見(jiàn)喪X表1材料特性表Table 1. Material property材罰密度(kg/n?)暢氏模就(MPa)

10、泊松比導(dǎo)熱系數(shù)(W/(mK)比熱容(J/(kg*)電阻率 (105O-m)熱膨脹系數(shù)(10 7k)鋁2,70068,0000.332109002.821硅2.328112,0000.2890700/3焊料7,40043,0000.440227/20鋼8,900110,0000.34380385/16.4陶瓷3,900370,0000.2220765/63本文在計(jì)算時(shí)將鋁鍵介線作為雙線性彈塑性材料，其屈服強(qiáng)度為30MPa,切線模彊為500MPao2.3網(wǎng)格與單元?jiǎng)澐趾?jiǎn)化后的模型有著簡(jiǎn)單的兒何外形，劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖2,由J要進(jìn)行耦合計(jì)算，在 計(jì)算熱電時(shí)單元類型采用Solid69,結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)用ET

11、CHG命令將單元類型改為Solid45。2.4邊界條件與載荷功率循環(huán)采取方波加載;，周期0.1s,占空比為0.5,即升溫與降溫各占一半時(shí)間。由丁在功率循環(huán)過(guò)程中存在著熱、電、應(yīng)力等不同的物理場(chǎng)，所以在計(jì)算時(shí)盂?？紓贫?場(chǎng)耦介，采用和應(yīng)的算法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算溫度場(chǎng)的時(shí)候，采取直接耦介的算法，在鋁鍵介線 上施加恒定電流，在芯片上施加內(nèi)熱源。底面施加對(duì)流邊界條件，其他面絕熱。結(jié)構(gòu)汁算時(shí)，采取間接耦介的算法，將熱電讓算得到的瞬態(tài)溫度場(chǎng)作為載荷施加到模型 上，將對(duì)稱面設(shè)為對(duì)稱邊界條件，底而角點(diǎn)為固定約束，其他本文分別計(jì)算了不同牛熱率卜模塊的應(yīng)力應(yīng)變，以獲得溫度變化幅度與功率循壞疲勞壽 命的關(guān)系。3疲勞壽命

12、預(yù)測(cè)方法3.1應(yīng)變能法Kliman等建立了單個(gè)循環(huán)的應(yīng)變能密度增AWf lj疲勞壽命Nf的關(guān)系:AWf = A（Nf ）a（1）為便于由應(yīng)變能密度得到疲勞壽命，可將上式可改寫(xiě)為:Nf=C（AWf）5（2）根據(jù)參考文獻(xiàn)國(guó)的數(shù)據(jù)，擬合得到，c產(chǎn)27, 936, C2=-1.5用應(yīng)變能法進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)時(shí)，首先運(yùn)用ANSYS分析計(jì)算出在熱循環(huán)過(guò)程中所枳累的型性 應(yīng)變能密度，然后再利用即到的應(yīng)變能密度結(jié)介材料的單個(gè)循壞的塑性應(yīng)變能與疲勞壽命 的關(guān)系來(lái)計(jì)算鍵介線裂紋萌生壽命。在ANSYS后處理中，首先尋找?guī)托詰?yīng)變能密度最大的單尤，然后根據(jù)不同循環(huán)周期結(jié)束 時(shí)的應(yīng)變能密度數(shù)值，計(jì)算差值得到每周期應(yīng)變能密度増最

13、。將其代入公式（2）,即町得到 鍵合線的功率循環(huán)疲勞壽命。3.2應(yīng)變法1954年,Coffin和Manson在獨(dú)工研究熱疲勞問(wèn)題的過(guò)程屮分別提出了 種以犁性W變幅 為參杲的疲勞壽命描述方法。他們發(fā)現(xiàn)，肖利用燃性應(yīng)變幅q/2的對(duì)數(shù)與發(fā)生破壞的載荷反向次數(shù)2Nf的對(duì)數(shù)進(jìn)行做圖時(shí)，對(duì)J：金屬材料可以看到存在直線關(guān)系：學(xué) T（2Nj（3）式中的是疲勞延性系數(shù)，C為疲勞延性指數(shù)。為了便F根據(jù)燃性應(yīng)變幅計(jì)算疲勞壽命，（3）式可轉(zhuǎn)化為：Nf=C】（Mp嚴(yán)根據(jù)參考文獻(xiàn)E，鋁鍵合線的=16. 55C2=1.83o在ANSYS后處理中，獲取鍵介線不同時(shí)刻的蜩性應(yīng)變，計(jì)算得到須性應(yīng)變幅，代入公式 （4）即可求得功率

14、循壞披勞壽命。4計(jì)算結(jié)果與分析4.1溫度與應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律在占空比為0.5,生熱率為20W/mm'的我荷卜，模型各部位的溫度變化如圖4所示，町以 看出，五次功率循壞Z后，溫度變化（2趨隱泄；鍵介線，芯片溫度變化幅度較人，DBC板 的溫度變化范用較??；還町以看dlDBC'P心與底部由丁距離熱源（芯片和鍵介線）較遠(yuǎn)，溫 度響應(yīng)存在一定的滯后。FEA Report圖4模塊各部位溫度變化Fig 4. Temperature of different positions in module over time對(duì)比鍵介面四點(diǎn)的溫度變化曲線（圖5）,可以看出，鍵介而備點(diǎn)溫度幾乎沒(méi)仃羞別，而從

15、四 點(diǎn)的Von-Mises應(yīng)力變化曲線（圖6）可以看出各點(diǎn)應(yīng)力水平存在很大差別，Von-Miseshy力最 人伯出現(xiàn)在A點(diǎn)，從鍵合界面外朗往鍵合界面屮心，應(yīng)力幅值明顯降低。此結(jié)果符合鍵合物 理模型的預(yù)期。圖5鍵介而四點(diǎn)溫度變化Fig 5. Temperature of bond interface over time圖6鍵合啲以點(diǎn)應(yīng)力動(dòng)轉(zhuǎn)性曲線Fig 6. Von-Mises stress of bond interface over time從等效蜩性應(yīng)變分布云圖（圖7）可以看出，A點(diǎn)蜩性應(yīng)變最人，鍵介而上觀性應(yīng)變分 布同樣從外由到中心逐漸減小，町見(jiàn)鍵介線根部為疲勞危險(xiǎn)區(qū)，這與實(shí)驗(yàn)中觀察到鍵

16、介線總 是從根部開(kāi)始剝離的現(xiàn)彖一致。90DAL SOLUTIOX 圖7鍵合線等效舉性代變?cè)茍DFig 7. Equivalent plastic strain of bond wire圖8是A點(diǎn)z向正應(yīng)力隨z向應(yīng)變的遲滯曲線，從圖屮町以看血 隨著功率循環(huán)次數(shù)增多, 遲滯曲線趨于穩(wěn)定，說(shuō)明每周期應(yīng)變能增最趨于穩(wěn)定.FEA R即ort15 0.0000 0.00020.00040.00030 00080X)010md 乏圖8 A點(diǎn)z向應(yīng)力應(yīng)變滯回環(huán)Fig 8 z axial stress over strain of point A圖9為A點(diǎn)應(yīng)變能密度動(dòng)特性曲線，從中町以看出，應(yīng)變能密度隨時(shí)間增加近

17、似階梯狀 積累增加，在升溫階段及降溫階段前半段不變，后半段增加，說(shuō)明材料發(fā)生了一定的貌性流 動(dòng)：經(jīng)過(guò)9次功率循環(huán)后，毎周期應(yīng)變能密度増杲已經(jīng)趨穩(wěn)定，為0.06753險(xiǎn)a,代入公式 (2),町以得出，在功率循環(huán)過(guò)程中，功率芯片結(jié)溫的變化幅度為48. 7C時(shí)，其預(yù)計(jì)功率循環(huán) 壽命為1, 592, 018次。圖10為A點(diǎn)等效蜩性應(yīng)變動(dòng)特性曲線，從中可以看出，等效蜩性應(yīng)變隨時(shí)間増加近似階 梯狀枳累增加，覽在一個(gè)周期內(nèi)的變化規(guī)律與塑性應(yīng)變能帝度變化和似；隨功率循環(huán)次數(shù)的 增加，等效塑性應(yīng)變的增幅在不斷減小，9個(gè)功率于一個(gè)穩(wěn)宦值，為0.00190,代 入公式(4)町以衍到在相同循環(huán)條件卜，塑性應(yīng)變準(zhǔn)則下其

18、功率循環(huán)壽命為2,572,196次。0000 0.18 o6 oO.40-2£ 乏、M帕* 楸a時(shí)間/SFEA ReportFEA Report圖9 A點(diǎn)的應(yīng)變能密度動(dòng)特性Fig 9. Strain energy density over time of point AFEA ReportNanjing SilverMicro Electronics,LTDRII VFRMIHRn楙0述H敘瑜圖10 A點(diǎn)等效塑性應(yīng)變動(dòng)特性Fig 10. Equivalent plastic strain over time of point A4.2不同溫度波動(dòng)幅度下模塊功率循環(huán)壽命為了獲得鍵介而溫

19、度波動(dòng)幅度對(duì)功率循環(huán)方:命的影響規(guī)律，本文計(jì)算了芯片生熱率為15W/mm 17 W/mm 22 W/mm 25w/mm3 F的溫度與應(yīng)力應(yīng)變，其他主熱率卜鍵合線的溫度與應(yīng)力丿衛(wèi)變變化規(guī)律與前文所述相同，只是數(shù)值白所差別。不同牛熱率卜的 溫度變化幅度圖11所示：圖M不同生熱率卜鍵介面溫度波動(dòng)幅度Fig 11. Temperature range over heat generation從圖以看出，由生熱率増加，單位周期內(nèi)健合線與芯片發(fā)熱彊增加，鍵合面結(jié)溫 與溫度波動(dòng)幅度逐漸隨Z上升，波動(dòng)幅度與生熱率人致線性相關(guān)，擬介得到AT； = 2.533q-1.754(5)式中AT的I丫i位為£,

20、生熱率q的小位為w/mm5圖12不同溫度波動(dòng)幅度卜應(yīng)變能幣度與等效塑件應(yīng)變每周期增杲Figl2 Increment of strain energy density and equivalent plastic strain over temperature range 圖12給出了不同鍵介面溫度波動(dòng)幅度下的應(yīng)變能密度與等效塑性應(yīng)變每周期增最，從 中可以看出，每周期應(yīng)變能密度增駅，等效塑性應(yīng)變?cè)鰧镁S溫度變化幅度増加而増加。根據(jù)公式(2)與(4)計(jì)算并繪出不同溫度波動(dòng)幅度卜購(gòu)變能準(zhǔn)則和等效蜩性應(yīng)變準(zhǔn)則疲勞 壽命如表2與圖13：表2不同溫度變化幅度下兩種疲勞準(zhǔn)則壽命Table 2. Fatigu

21、e lifetime of two criterions over temperature rangeATNf（AWf）Nf（©36.427,272,2876,432,95241.253,481,8113,164,3294&71,592,0181,572,19653.861,017,1561,069,13861.76500,818519,50211 AW405060國(guó)13不同溫度變化幅度卜兩種疲勞壽命Fig 1.3. Fatigue lifetime of two criterions over temperature range 由表3和圖13町知，功率循環(huán)疲勞壽命在隨鍵介

22、面溫度波動(dòng)幅度的增加而急劇減小, 同時(shí)還可以看到，由兩種準(zhǔn)則得到的疲勞壽命是很接近的，對(duì)圖13的兩條曲線進(jìn)行擬介, 得到模塊功率循壞壽命和鍵合面溫度波動(dòng)幅度的關(guān)系為：36. 9-1.16A7 + 0. 00208A7) 2 一 0. 00013直7； 3式(6)與兩條曲線的謀差在10%以內(nèi)。由在較人的健合面結(jié)溫幅度卜，鍵合線疲勞壽命較短，I月此功率模塊應(yīng)避免極端I作 條件，并保持良好的散熱。5結(jié)論1介紹了鍵介線功率循環(huán)失效的機(jī)理，材料熱失配是造成鍵介線剝離的主耍原因。2數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明鍵介線根部的Von-Mises應(yīng)力與等效數(shù)性應(yīng)變最人，是模塊功率循 壞疲勞危險(xiǎn)區(qū)，鍵合線剝離總是從根部開(kāi)始；3

23、應(yīng)變能法和等效蜩性應(yīng)變法得到的功率循環(huán)疲勞壽命在數(shù)值上比校接近，這農(nóng)明兩者 都是高效、準(zhǔn)確的功率循環(huán)疲勞壽命數(shù)值模擬方法；4分析得到了芯片生熱率、鍵介而溫度波動(dòng)幅度與鍵介線功率循壞疲勞壽命的關(guān)系，対 計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了擬介，得到了鍵介線功率循壞壽命與鍵介面溫度波動(dòng)幅度的關(guān)系式：5模塊功率循環(huán)疲勞壽命隨結(jié)溫變化幅度的増人而急劇減小，因此功率模塊在匸作中應(yīng) 保持良好的散熱，避免過(guò)人的熱損耗。參考文獻(xiàn)1 陳宇.集成電路対裝用新旳AM%Si進(jìn)合線的研制D.蘭州蘭州理工大學(xué).20042 Ramminger S, Tukes P, Wachutka G Crack mechanism in wire bonding joints J Microelectronics Reliabili