IGBT模块回流焊工艺中预翘曲铜基板的研究

周 洋，徐 玲，张泽峰，陈明祥，刘 胜

(华中科技大学机械学院，武汉 430074)

0 引言

绝缘栅双极性晶体管(IGBT)作为新型电力半导体场控自关断器件，集功率MOSFET的高速性能与双极性器件的低电阻于一体，具有输进阻抗高，电压控制功耗低，控制电路简单，耐高压，承受电流大等特性，被广泛应用于太阳能、风力发电、家用电器、数控等的领域。IGBT模块的可靠性一直以来都是封装工程师的研究热点，特别是在一些像在动车、航天和军用设备等低或者零容错率的领域，IGBT模块任何突发性的失效都是致命的，因此对于IGBT模块可靠性的研究是至关重要的。

翘曲是一种在封装工艺中由于材料的热膨胀系数和封装结构的不对称引起的不可避免的易引起模块失效的现象。一般而言，IGBT模块的散热主要是通过热沉，当IGBT模块产生翘曲变形时将会减少IGBT模块的基板与热沉的接触面积，增加基板与热沉间的热阻，从而给IGBT模块的散热带来不可忽略的负面影响。在回流焊工艺中由于IGBT模块经历一个较大范围的温度变化，将会使IGBT模块产生较大的翘曲变形。至今还没有办法消除回流引起的翘曲，只能通过工艺和结构的优化来尽量减少翘曲变形。目前工业上常用的一种方法就是通过经验先预测基板的变形方向，然后在回流前通过机械的方法将平整的基板向反方向预翘曲。实验证明这种方法虽然能有效的减少回流之后基板的翘曲，但是并没有一个量化的标准，对于基板的预翘曲量主要是依靠经验或者是实验结果来定，这样不仅需要花费大量的实验时间，同时也提高了产品的设计成本。基于虚拟制造的概念，通过对回流焊工艺的模拟，研究IGBT模块在回流中的翘曲变化，定量分析基板的预翘曲量。这不仅能更准确地预测回流对IGBT翘曲的影响，提高产品的可靠性，更是能降低产品的设计成本和缩短设计周期。

国内学者对IGBT模块可靠性进行了大量的研究，但是对于IGBT模块基板翘曲的研究几乎没有，南车集团的工程师们通过实验的方法研究了预翘曲基板对回流焊接质量的影响。对于回流焊工艺国内有很多学者做了大量的研究，但是仅仅研究了回流冷却阶段，忽略了回流加热阶段对IGBT模块的影响。本文通过利用Anand粘塑性模型建立回流焊工艺的有限元模型，利用单元“杀死-激活”技术，研究整个回流阶段IGBT模块的翘曲变化。

1 IGBT模块的封装结构与回流焊工艺

IGBT模块一般由铜基板、焊料、DBC、芯片、铝线、硅凝胶、外壳和引线端子组成。在回流焊工艺中只需要对铜基板、焊料、DBC和芯片进行研究，其封装结构，如图1所示。

图1 IGBT模块封装结构

目前大量研究表明芯片对于铜基板的翘曲的影响很小;为了简化模型，将忽略芯片在回流过程中对铜基板翘曲的影响。铜基板、DBC和焊层的尺寸大小，以及DBC在铜基板上的排列方式，如图2所示。先通过丝网印刷将厚度为0.15 mm焊料涂刷在厚度为3 mm铜基板上，再将铜层的厚度为0.3 mm，陶瓷层(96%Al2O3)的厚度为0.38 mm的DBC贴装在焊料层的上表面，其中焊料层的长宽与DBC上下铜层的长宽一致。最后将这个封装结构放入回流炉的加热板上。

图2 铜基板、DBC和焊料层尺寸大小(mm)

回流焊技术在电子制造领域并不陌生，回流焊工艺中封装结构首先被预热到一定的温度，然后保温一段时间，在被加热到高于焊料熔点20～30℃，最后再迅速冷却。采用的焊膏为已经被广泛应用于功率电子的封装中 96.5Sn3.0Ag0.5Cu(SAC305)，它具有较好的电热机械性能，SAC305理想的回流温度曲线，将其作为有限元模型中的温度载荷，如图3所示。

图3 回流温度曲线

2 回流焊有限元模型

2.1 材料参数

准确的材料参数是有限元分析中至关重要的因素。Anand模型已经被广泛应用于焊料的粘塑性特性的描述，国内外诸多学者已经对Anand模型进行了深入的研究［1，2］。将采用Anand模型来描述焊料SAC305粘塑性特性。Anand模型可以用式(1)～(3)所述方程来表述。

式中，˙εp表示非弹性应变率;A是前置指数因子;Q表示活化能;m表示应变率敏感因子;δ表示应力乘数;R玻尔兹曼常数;T绝对温度;s表示变形阻力;σ

表示等效应力。

演化方程为

其中

式中，h0表示硬化常数;a硬化敏感系数;^s饱和变形阻力系数;n变形阻力的应变率敏感因。一般而言，将Anand本构方程中的九个参数 A，Q/R，δ，m，h0，^s，n，a和s0称为Anand常数;要解Anand本构方程，必须要得到材料的Anand常数，这九个常数可利用过材料拉伸或剪切试验得到的应力应变曲线通过拟合的方法获得［3～5］。Mysore通过材料剪切试验获得了 SAC305 的 Anand 常数，见表1［6，7］。

表1 SAC305的Anand常数

为了简化模型，需要对材料参数做一些线性假定。假定DBC陶瓷层和SAC305的杨氏模量、泊松比和热膨胀系数是与温度无关的常数，见表2。有研究表明铜的杨氏模量与屈服强度是与温度相关的非线性函数，见表3［6，7］。铜的热膨胀系数也是与温度相关的，如图4所示。

表2 材料的杨氏模量和泊松比

表3 铜的杨氏模量和屈服强度

图4 材料的热膨胀系数随温度变化

2.2 有限元建模

首先需要建立IGBT模块封装结构的三维模型，事实上DBC的顶部铜层并非是完整的一块，而是由一些隔离的铜层带组成的，如图5所示。为了研究DBC的铜层图形对翘曲变形的影响，建立了两种模型，一种含有铜层图形，一种不含有铜层图形。由于结构对称，为了节省计算资源和时间，取1/4结构进行模拟分析，如图6所示。为了避免在有限元分析中出现长宽比的错误，除了铜基板以外的结构在厚度方向均只划分一层网格。由于结构对称，在回流过程中的基板都是以点A为中心两边发生翘曲，故将点A固定，并将图3中的温度载荷加载到点A。在回流中，一般以氮气为保护气体，因此存在自然对流换热，故利用COMSOL软件在模型中增加了自然对流模块。为了减少空洞率，一般采用真空回流，在焊料熔融状态下会进行抽真空，由于抽真空时间较短，并且迅速恢复氮气环境，因此，将忽略抽真空这一工艺步骤。

将回流焊工艺模型分为两步进行:第一步是从室温(25℃)加热到峰值温度245℃，在降温到焊料SAC305熔融温度，在这一过程中焊料处于膏状或液态，因此固态材料属性不再适合，并且该阶段焊料对于其它结构的翘曲变形影响不大，所以该阶段焊料的相关单元将被“杀死”，并赋予低刚度的材料特性进行模拟分析。第二步是从焊料的熔融温度冷却到室温，这个阶段焊料变成固态，此时激活第一步中杀死的单元，除焊料层以外的单元的初始温度和应力都继承于第一步的计算结果，由于焊料在熔融阶段可视为内应力为0，故焊料层的初始应力为0。假定焊料的参考温度为SAC305的熔点温度，其它结构的参考温度为室温25℃。

3 结果分析

首先分析DBC铜层图形对基板翘曲的影响。假定基板初始状态为平整无翘曲，且初始应力为0，分别建立含铜层图形和不含铜层图形的有限元模型，分析结果如图7所示。图7(a)和(b)分别是无铜层图形和有铜层图形IGBT模块在回流后的残余应力分布情况，明显可以看出残余应力分布相似，且最大残余应力分别为75.302 MPa和85.513 MPa，且都出现在DBC陶瓷层位置。图7(c)和(d)分别表示的无铜层图形和有铜层图形IGBT模块在回流后翘曲变形的分布情况，两者翘曲近乎相同，最大翘曲点的翘曲量分别为 134.77 μm 和140.5 μm，两者相差大约为5 μm。由仿真结果可以看出，DBC的顶部铜层的图形对于回流引起的翘曲变形和残余应力的影响很小，因此在后续建模仿真中，为了简化模型提高计算效率，将忽略铜层图形的影响，所建有限元模型中的DBC的顶部铜层均不含图形。

图7 有限元模型分析结果

假定铜基板底面四端点分别为A、B、C、D，如图7(a)所示，以C点Z轴方向坐标的变化来定义基板的翘曲量。在回流中基板翘曲随温度变化的情况，如图8所示。开始加热时，基板两端开始上翘，随着温度的升高翘曲量增大，当达到226℃时，翘曲开始变小，在冷却阶段随着温度的较低基板慢慢变平，当温度降到25℃时，基板最终成为凸型基板。由于封装结构对称，铜基板在x和y方向都存在翘曲，最终成为双弓形，如图9所示。

由仿真结果可以知道，当铜基板为平整基板时，回流后基板会变成凸形，由于IGBT模块一般会贴装在热沉上，凸形会增加基板和热沉直接的间隙，并且在装配中很难将凸形基板压平，因此在工业上通常会采用机械的方法将铜基板预先弯曲成凹形再进行回流。建立3个装配模型，使铜基板的预翘曲量分别为 137 μm、265 μm 和 387 μm。在实际生产中可以通过退火等方法可以消除铜基板中因预翘曲工艺产生的残余应力，因此可以在有限元模型中假定预翘曲的铜基板的初始应力为0。仿真结果，见表4。表4表明回流引起的翘曲方向与铜基板的初始平整度无关，与基板的初始状态相比，回流后翘曲变化量总是负值，且翘曲变化量相差不到10 μm，近似为一常数。

表4 不同预翘曲量仿真结果对比

4 结语

基于Anand粘塑性模型建立了回流焊工艺过程的有限元模型，首先分析了DBC顶部铜层对因回流引起的铜基板翘曲的影响，结果表明在其它条件不变的情况下，DBC铜层图形对基板翘曲影响较小。研究了平整的铜基板在回流过程的翘曲变化，以及回流后铜基板的最终形态。最后量化研究了不同预翘曲量的铜基板在回流工艺中的翘曲变化，结果表明在其它条件不变情况下，铜基板的预翘曲量对于因回流导致的基板翘曲变形的方向和大小影响较小，翘曲变化量近似为一常数。当预翘曲量越逼近这一常数，则回流后铜基板的残余翘曲越小。

基于虚拟制造概念本文通过单元的“杀死”和“激活”技术对回流焊工艺的整个过程进行模拟，为工业界提供一种有效的分析回流工艺和预翘曲基板的模型和方法，能够有效降低试验成本和大幅缩短设计周期。模拟仿真结果为封装工程师提供了重要参考，对工业生产具有指导意义。

模拟仿真结果与实验结果会存在一定误差，误差主要来源于线性材料参数的假定，封装结构的简化，理想温度曲线与实时测量曲线间的误差，以及测量设备本身精度的误差。在后期工作中将会对焊料和陶瓷的材料特性进行进一步研究，从而获得更准确的材料数据以提高模拟计算精度。研究过程中也借鉴了文献［8～12］。

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