IGBT功率循环疲劳寿命预测

1 引言
IGBT功率模块的封装正朝着低成本、小尺寸、高性能以及高可靠性发展。丝键合工艺是 最早发展起来的用于芯片与外界互连的技术， 由于采用丝键合工艺可以通过改变连接线弧的 形状和距离， 使多种器件能使用同一基板和外壳， 现在仍在模块封装工艺中占绝对统治地位。 常用的键合线材料有金、铜、铝三种，由于成本优势，铝是普遍应用的键合线材料。 [1] 引线键合造成的失效占到半导体器件的失效的49% ，可见键合线的可靠性对整个模块 的可靠性的影响是非常关键的。 [2] 对功率模块铝键合线可靠性，国内外目前的研究不多，Ramminger 等从引线键合工艺 产生的机械应力的角度讨论了铝线的引脚跟断裂问题，分析了热膨胀系数失配对失效的影
20
时 间 /s
图4 模块各部位温度变化 Fig 4. Temperature of different positions in module over time 对比键合面四点的温度变化曲线（图5） ，可以看出，键合面各点温度几乎没有差别，而从四 点的Von-Mises应力变化曲线（图6）可以看出各点应力水平存在很大差别，Von-Mises应力最 大值出现在A点，从键合界面外围往键合界面中心，应力幅值明显降低。此结果符合键合物 理模型的预期。
功率循环采取方波加载，周期0.1s，占空比为0.5，即升温与降温各占一半时间。 由于在功率循环过程中存在着热、电、应力等不同的物理场，所以在计算时需要考虑多 场耦合，采用相应的算法进行计算。计算温度场的时候，采取直接耦合的算法，在铝键合线 上施加恒定电流，在芯片上施加内热源。底面施加对流边界条件，其他面绝热。 结构计算时， 采取间接耦合的算法， 将热电计算得到的瞬态温度场作为载荷施加到模型 上，将对称面设为对称边界条件，底面角点为固定约束，其他面自由。 本文分别计算了不同生热率下模块的应力应变， 以获得温度变化幅度与功率循环疲劳寿 命的关系。
根据参考文献 的数据，拟合得到， C1 =27,936， C2 =-1.5
[5]
（1）
为便于由应变能密度得到疲劳寿命，可将上式可改写为： （2）
用应变能法进行寿命预测时，首先运用ANSYS分析计算出在热循环过程中所积累的塑性 应变能密度, 然后再利用得到的应变能密度结合材料的单个循环的塑性应变能与疲劳寿命 的关系来计算键合线裂纹萌生寿命。 在ANSYS后处理中，首先寻找塑性应变能密度最大的单元，然后根据不同循环周期结束 时的应变能密度数值，计算差值得到每周期应变能密度增量。将其代入公式（2） ，即可得到 键合线的功率循环疲劳寿命。
关键词：功率循环 铝键合线 有限元法 疲劳寿命
Power Cycle Fatigue Lifetime Estimation of IGBT Module
YAO Er-xiana ZHUANG Wei-dongb CHANG Hai-pinga
(a. College of Energy & Power, NUAA, Nanjing 210015 China b. Najing SilverMicro Electronics, Ltd. Nanjing 211200 China) Abstract 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 introduced, aluminum wire bond lift-off is the reason of power cycle failure of power modules. FEA was used to investigate the temperature distribution and change of module during power cycle, and based on the result of thermal simulation, stress and strain of module is computed. According to the result of stress and strain of module, lifetime of aluminum wire bond is estimated. The results show that heel of aluminum wire bond is fatigue dangerous zone of module; with the increase of thermal dissipation of IGBT chip, the range of chip’s temperature increase, and the lifetime of power module decrease rapidly. Key Words: power cycle; Aluminum bond wire; finite element method; fatigue lifetime
2 分析模型
2.1 键合线结构
功率模块中的铝键合引线互连如图1所示，考虑到该结构具有一定的周期性与对称性，为缩 短分析时间，提高分析效率，选取单根键合线建立四分之一切片模型，如图（2）所示。
图1 功率模块芯片上的键合线连接 Fig1 Wire connections in power module 计算时采取以下处理： 1、不考虑键合过程造成的残余应力应变；2、各层材料完美结合，无相对滑移；3、芯片均 匀发热；4、忽略硅胶散热；5、不考虑硅胶对键合线的压力。 为了方便比较键合面不同位置的温度与应力应变，定义键合面的四个特征点如图3：
4 计算结果与分析
4.1 温度与应力应变变化规律
在占空比为0.5，生热率为20W/mm 的载荷下，模型各部位的温度变化如图4所示，可以 看出，五次功率循环之后，温度变化已趋于稳定；键合线，芯片温度变化幅度较大，DBC板 的温度变化范围较小；还可以看出DBC中心与底部由于距离热源（芯片和键合线）较远，温 度响应存在一定的滞后。
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3 疲劳寿命预测方法
3.1 应变能法
Kliman 等建立了单个循环的应变能密度增量 W f 与疲劳寿命 N f 的关系：
[4]
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W f A( N f ) N f C1 (W f )C2
3
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140
120
100
温度/℃
80
60
40
Wire bond chip DBC bottom
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
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响，并从断裂力学角度提出了应变能破坏准则来确定裂纹扩展方向。Koji Sasaki 与Naoko [3] Iwasa 利用裂纹张开位移（COD）研究了二维状态下键合线的裂纹扩展寿命。 铝键合线功率循环寿命可根据疲劳破坏进程分为三个阶段： 裂纹萌生、 裂纹扩展和失稳 剥离。 由于铝键合线与芯片材料的热膨胀系数不同， IGBT芯片与键合线在工作过程中反复通 断电，其温度反复变化，由于功率芯片硅材料与铝线之间热膨胀系数的显著差异，造成温度 变化时在键合界面出现交变的热应力，随着循环次数的增加，在键合面附近产生疲劳裂纹。 裂纹一旦产生，模块热阻将急剧增加，结温升高，裂纹扩展速率加快，因此裂纹扩展和失稳 剥离是个很短的过程，铝键合线功率循环寿命的主要是裂纹萌生寿命。 本文根据模块结构利用数值计算软件ANSYS构建了IGBT功率模块三维切片模型，计算了 铝键合线在功率循环条件下的应力应变状态，并分别根据应变能法和Coffin-Manson法计算 了其功率循环寿命。
2.2 材料模型及参数
大部分材料在计算中做弹性材料处理，其参数参见表1： 表1 材料特性表 Table 1. Material property
材料 铝 硅 焊料 铜 陶瓷 密度(kg/m ) 2,700 2,328 7,400 8,900 3,900
3
杨氏模量 （MPa） 68,000 112,000 43,000 110,000 370,000
150 140 130 120 110 100
A B C D
温度/℃
90 80 70 60 50 40 30 20 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
时 间 /s
图5 键合面四点温度变化 Fig 5. Temperature of bond interface over time
-6
本文在计算时将铝键合线作为双线性弹百度文库性材料， 其屈服强度为30MPa， 切线模量为500MPa。
2.3 网格与单元划分
简化后的模型有着简单的几何外形，划分结构化网格如图2，由于要进行耦合计算，在 计算热电时单元类型采用Solid69，结构计算时用ETCHG命令将单元类型改为Solid45。
2.4 边界条件与载荷
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IGBT 模块功率循环寿命预测
姚二现 1 庄伟东 2 常海萍 1
(1 南京航空航天大学能源与动力学院 江苏省南京市 210015 2 南京银茂微电子制造有限公司 江苏省南京市 211200) 摘要：随着IGBT功率模块的广泛应用，其功率循环可靠性受到重视，本文介绍了模块的功率 循环失效机理， 指出铝键合线剥离是模块功率循环失效的原因； 基于有限元法计算了模块在 功率循环过程中的温度分布与变化， 并在此基础上计算了模块的应力应变； 根据应力应变数 值计算结果， 分别采用应变能法和应变法等两种疲劳破坏准则预测了键合线疲劳寿命； 研究 表明， 铝键合线根部为模块的疲劳危险区； 随着芯片热损耗的增加， 芯片结温变化幅度增加， 功率模块疲劳寿命急剧减小。
泊松 比 0.33 0.28 0.4 0.34 0.22
导热系数 （W/(m· K)） 210 90 40 380 20
比热容 （J/(kg· K)） 900 700 227 385 765
电阻率 （10 Ω·m） 2.8 / / / /
-5
热膨胀系数 （10 /K） 21 3 20 16.4 6.3
图2 键合线的1/4有限元模型 Fig 2. 1/4 FEA model of bond wire
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图3 键合面四点的定义 Fig 3.Four points of bond interface

c
（3）
式中的 f 是疲劳延性系数， c 为疲劳延性指数。
为了便于根据塑性应变幅计算疲劳寿命， （3）式可转化为:
N f C1 ( p ) C2
根据参考文献 ，铝键合线的 C1 =16.55， C2 =1.83。
[7]
（4）
在ANSYS后处理中，获取键合线不同时刻的塑性应变，计算得到塑性应变幅，代入公式 （4）即可求得功率循环疲劳寿命。
3.2 应变法
1954年， Coffin和Manson在独立研究热疲劳问题的过程中分别提出了一种以塑性应变幅 为参量的疲劳寿命描述方法 。他们发现，当利用塑性应变幅 p / 2 的对数与发生破坏的载
[6]
荷反向次数 2 N f 的对数进行做图时，对于金属材料可以看到存在直线关系:
p 2
f 2 N f