IGBT 模块PIN 针失效风险改善研究

程胭脂，林川川，李启国，陈 琛

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 511434）

0 引言

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）绝缘栅双极性晶体管，是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。IGBT作为电动汽车的关键元器件之一，价格约占电动汽车电机控制系统成本的40%，是电动汽车上除电池之外成本最高的元件［1]。IGBT主要作用是能量转换，通过脉冲宽度调制的方式控制IGBT开关，将电池的直流电转换成交流电驱动电机有序受控运转，IGBT的性能也决定了整车的能源利用效率。近几年，英飞凌的HPD（Hybrid PACKTM Drive）封装模块凭借功率密度高、设计简单的优势在电动汽车市场迅速被广泛应用［2]，随之，各家功率半导体厂商纷纷效仿推出类似封装IGBT 产品。但是HPD封装IGBT模块与驱动PCB（Printed Circuit Board）装配后，模块在应用中存在PIN针断裂失效风险。针对该风险，目前IGBT生产厂商英飞凌有推荐PCB 开槽方案［3]，但开槽位置影响PCB布线，实际实施效果不佳。另外暂无相关文献从IGBT应用焊接工艺参数上优化改善从而降低失效风险。

本文主要从优化PCB开槽设计和优化焊接工艺参数等两个方向改善高低温环境下PIN针动态受力情况，降低PIN 针断裂失效的风险，以进一步提高IGBT 模块在电动汽车上应用的可靠性。

1 IGBT封装介绍及失效风险

六合一IGBT在电动汽车的应用上有许多优点，包括：一个模块内集成多个IGBT芯片，其参数一致性很好；模块内部芯片布局合理，寄生参数较小；模块的最高电压等级较高等［4]。HPD封装IGBT模块包含U、V、W三个全桥，其与驱动PCB的连接由8 颗螺丝固定在塑料柱（下称Dome）和24个PIN针焊接在过孔中，HPD 封装IGBT 模块的结构以及IGBT与驱动PCB装配结构如图1所示。

图1 IGBT与PCB装配结构

IGBT 与PCB 装配完成后，在高温环境下，Dome膨胀时会推动PCB在Z 方向上移，PCB 相连接的IGBT 的PIN 针受到向上的拉拔力。低温时PIN 针受到向下压力，如图2 所示，Dome膨胀收缩往复运动使PIN针存在动态拉力，从而导致PIN 针底座与铜层之间焊接层出现疲劳断裂的风险。改善前经过一段时间温度冲击失效案例如图3所示。

图2 PIN针动态受力

图3 失效案例

2 PCB优化设计

根据以上分析，PIN 针底座断裂根本原因是PIN 针受循环应力作用，离Dome越近的PIN针冷热冲击受到影响越大，即C1和C3的PIN针失效风险最大。

2.1 PCB开槽设计

PCB开槽可切断PIN针应力传递的路径，减少动态力传递到PIN针上，开槽位置、宽度、数目对释放残余应力均有影响［5]。选择在螺丝孔附近开圆弧槽、PIN 附近开斜线槽的设计方案，开槽宽度均为1 mm。优化后的开槽方案如图4所示。

图4 PCB开槽设计

2.2 PIN针受力仿真

在HyperWorks仿真平台上，对IGBT模块和PCB实体建模，仿真分析PCB 不开槽方案和几种不同开槽方案的受力情况。仿真条件如下：（1）假设PCB 与IGBT 均无翘曲、PCB与IGBT焊接良好；（2）不考虑板上走线、过孔、敷铜、器件等细节；（3）定义室温25 ℃时，PIN针无应力；（4）设置热环境温度为125 ℃。参数如表1所示。

表1 仿真材料参数

根据实际PCB上电子元器件布局、布线方案及安装孔装配位置的条件下，对PCB设计不同的开槽方案，借助热仿真分析PIN针受力结果分析、改善、选择最优PCB 开槽方案。方案1：在PIN针周边设计斜槽，较未开槽有较大改善；方案2：挖斜槽基础上在Dome周围设计弧形槽的方案，应力值有下降，但C3应力数值依然较高；方案3：针对C3 的应力，采用特殊的开槽设计，仿真结果表明有明显效果。各种不同开槽方案的仿真应力如图5所示。

图5 热仿真分析

2.3 仿真结果分析

仿真结果如图6所示，PCB 开槽方案较未开槽均有所改善，弧形槽的效果明显优于斜槽；针对C3位置处于热应力最高点，接着圆弧槽末端处加斜槽去掉应力改善明显。因此，本文提出的圆弧槽加斜槽的方案能够较大程度改善PIN针的循环受力情况，保证IGBT模块与PCB的装配可靠性。

图6 PIN针受力仿真结果

3 波峰焊接参数优化

为了保证Dome 在高温膨胀状态下，PIN 针不受力，即IGBT 模块在高温环境下Dome 膨胀时表现为平行装配，常温下PCB 本身呈拱形装配，如图7 所示。为达到该目的，在焊接的预热阶段使IGBT 的Dome 受热膨胀，可通过延长预热时间使实现。

图7 焊接后IGBT模块侧视图

3.1 焊接工艺参数

选择性波峰焊接可以根据焊点不同情况，对焊接工艺参数进行特殊设置，便于每个焊点质量进行精确控制，使每个焊点的焊接效果达到最佳状态［6]。焊接工艺参数如表2所示，由于6个PIN针（E1 ～E6）内部与大块铜片相连，热容量大，温度下降快，则焊锡时间加长至4 s，其余PIN针2.5 s。

表2 波峰焊接工艺参数

3.2 热电偶布置

为观测实际选择性波峰焊接炉内温度，在IGBT 和PCB板上布置热电偶温度传感器，热电偶分别粘贴在Dome孔内，PCB 的Top 面、PCB 的Bottom 面，分别监测Dome、PCB温度。

3.3 炉温曲线

实际测得炉温曲线如图8 所示，由于热电偶插入Dome深度不同导致有温差，在焊接前Dome温度均达到了100 ℃。不同位置的热电偶温度不一样，位于PCB的Top面正对红外热源加热温度较高但均低于150 ℃，温度上升斜率小于或等于3 ℃/s，符合预期设想炉温曲线效果。

图8 炉温曲线

3.4 焊接结果

焊接完成后，目视检测PCB 焊锡完全透过焊盘，X-ray扫描检测焊点均未见空洞现象。用多倍放大镜观察，无锡尖、桥连、气孔、裂缝等缺陷，根据IPC-A-610G CN满足焊接验收标准［7]。

4 高低温冲击试验

4.1 试验条件

冷热冲击试验可以验证PIN 针在Dome 的热胀冷缩通过PCB带传递的应力作用。另外焊料与焊盘以及形成的金属化合物之间的热膨胀系数不匹配及IMC被氧化是导致冷热冲击下焊接位置失效的主要原因，冷热冲击疲劳是衡量电子产品性能好坏的重要指标［8]。将IGBT 模块放置温箱进行温度冲击试验，试验条件要求如下：在一个循环内，高温125 ℃或低温-40 ℃保持30 min、高低温之间的转换不超过15 s，进行1000个循环［9]。

4.2 试验结果

在冷热冲击试验前、完成1000 次冷热冲击循环后，分别测量带PCB的IGBT的5个静态参数［10]：（1）测栅极漏电流IGES；（2）栅极和发射极的阈值电压VGE（TH）；（3）集电极和发射极的饱和电压VCE（sat）；（4）二极管的正向电压VF；（5）集电极截止电流ICES。测试结果如表3 所示（只列出其中1个IGBT的U相上管的测试结果），IGBT的各参数均在标准范围内，未发生失效的情况。

表3 IGBT静态测试结果

5 结束语

PCB开槽设计可减小冷热冲击Dome 带来的应力，选择性波峰焊接个性化参数配置使得Dome 在受热膨胀状态下焊接PCB，Dome膨胀后PCB正好呈水平状态，不施加给IGBT的PIN针向上拉力。经过高低温度冲击试验后测试结果均在标准范围内，无PIN针失效，则开槽设计和波峰焊接参数优化均可消除IGBT模块PIN针失效风险。