IGBT功率循环疲劳寿命预测

1、Nanjing SilverMicro Electronics,LTDruvfrmicroIGBT模块功率循环寿命预测姚二现】庄伟东彳常海萍】(1南京航空航犬人学能源与动力学院江苏省南京由2100152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，Jt功率循环町嶺性受到重视，木文介绍了模块的功率 循坏失效机理，指出铝键介线剥离是模块功率循坏失效的原因；甚I：冇限尤法计算了模块在 功率循坏过程屮的温度分布与变化，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介线疲劳寿命：研究 表明，铝键

2、介线根部为模块的疲劳危险区：随着芯片热损耗的增加，芯片结温变化幅度増加I， 功率模块疲劳寿命急剧减小。关键词：功率循环铝键合线 有限元法疲劳寿命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功率模块的封装正朝着低成本、小尺寸

6、、高性能以及高町旅性发展。丝键介工艺是 最早发展起來的用于芯片与外界互连的技术，由于采用丝键介工艺可以通过改变连接线狐的 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。 常用的谜介线材料冇金、铜、铝三种，由丁成本优势，铝是普遍应用的键介线材料。引线键介造成的失效占到半导体器件的失效的49%，可见键介线的可常性对整个模块 的可靠性的影响是非常关键的。对功率模块铝键介线对靠性，国内外口前的研究不多，Ramming er121等从引线键介工艺 产生的机械应力的角度讨论了铝线的引脚跟断裂问题，分析了热膨胀系数欠配对失效的影 响，并从断裂力学角度提出了应变能破坏准则來

7、确定裂纹扩展方向。Koji Sasaki与Naok。 Iwasa利用裂纹张开位移(COD)研究了二维状态卜键介线的裂纹扩展寿命。铝键合线功率循环寿命町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。由丁铝键介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屮反复通 断电，英温度反复变化，由丁功率芯片硅材料与铝线Z间热膨胀系数的显着差异，造成温度 变化时在键介界而出现交变的热应力，随着循环次数的增加，在键介面附近产生疲劳裂纹。 裂纹一I.产生，模块热阻将急剧增加，结温升高，裂纹扩展速率加快，I大I此裂纹扩展和失稳 剥离是个很短的过程，铝键合线功率循坏寿命的主要是裂纹萌生

8、寿命。木文根据模块结构利用数值计算软(TANSYS构建了IGBT功率模块三维切片模空，计算了 铝键介线在功率循坏条件卜的应力应变状态，并分别根据应变能法和Coffin-Manson法计行 了其功率循环寿命。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，考电到该结构H旳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Z切片模型，如图(2)所示。图1功率模块芯片上的键介线连接Figi Wire connections in power module计算时采取以卜处理：1、不考IS键介过程造成的残余应力应变；2、各层材料完羌结介，无相対滑移：3、芯片均

9、匀发热：4、忽略硅胶散热；5、不考虑硅胶对键介线的压力。为广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：图2键合线的1/4有限兀模塑Fig 2.1/1 FEA model of bond wireFEA ReportJ2LNanjing SilverMicro Electronics丄TDrhvfrmicro图3键介而四点的定义Fig S.Four points of bond interface2.2材料模型及参数人部分材料在计算中做弹性材料处理.比参数参见丧X表1材料特性表Table 1. Material property材罚密度(kg/n?)畅氏模就(MPa)

10、泊松比导热系数(W/(mK)比热容(J/(kg*)电阻率 (105O-m)热膨胀系数(10 7k)铝2,70068,0000.332109002.821硅2.328112,0000.2890700/3焊料7,40043,0000.440227/20钢8,900110,0000.34380385/16.4陶瓷3,900370,0000.2220765/63本文在计算时将铝键介线作为双线性弹塑性材料，其屈服强度为30MPa,切线模彊为500MPao2.3网格与单元划分简化后的模型有着简单的儿何外形，划分结构化网格如图2,由J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ET

11、CHG命令将单元类型改为Solid45。2.4边界条件与载荷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。由丁在功率循环过程中存在着热、电、应力等不同的物理场，所以在计算时盂耍考偲多 场耦介，采用和应的算法进行计算。计算温度场的时候，采取直接耦介的算法，在铝键介线 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。结构汁算时，采取间接耦介的算法，将热电让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，底而角点为固定约束，其他本文分别计算了不同牛热率卜模块的应力应变，以获得温度变化幅度与功率循坏疲劳寿 命的关系。3疲劳寿命

12、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AWf lj疲劳寿命Nf的关系:AWf = A（Nf ）a（1）为便于由应变能密度得到疲劳寿命，可将上式可改写为:Nf=C（AWf）5（2）根据参考文献国的数据，拟合得到，c产27, 936, C2=-1.5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枳累的型性 应变能密度，然后再利用即到的应变能密度结介材料的单个循坏的塑性应变能与疲劳寿命 的关系來计算键介线裂纹萌生寿命。在ANSYS后处理中，首先寻找幫性应变能密度最大的单尤，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増最

13、。将其代入公式（2）,即町得到 键合线的功率循环疲劳寿命。3.2应变法1954年,Coffin和Manson在独工研究热疲劳问题的过程屮分别提出了 种以犁性W变幅 为参杲的疲劳寿命描述方法。他们发现，肖利用燃性应变幅q/2的对数与发生破坏的载荷反向次数2Nf的对数进行做图时，对J：金属材料可以看到存在直线关系：学 T（2Nj（3）式中的是疲劳延性系数，C为疲劳延性指数。为了便F根据燃性应变幅计算疲劳寿命，（3）式可转化为：Nf=C】（Mp严根据参考文献E，铝键合线的=16. 55C2=1.83o在ANSYS后处理中，获取键介线不同时刻的蜩性应变，计算得到須性应变幅，代入公式 （4）即可求得功率

14、循坏披劳寿命。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'的我荷卜，模型各部位的温度变化如图4所示，町以 看出，五次功率循坏Z后，温度变化（2趋隐泄；键介线，芯片温度变化幅度较人，DBC板 的温度变化范用较小；还町以看dlDBC'P心与底部由丁距离热源（芯片和键介线）较远，温 度响应存在一定的滞后。FEA Report图4模块各部位温度变化Fig 4. Temperature of different positions in module over time对比键介面四点的温度变化曲线（图5）,可以看出，键介而备点温度几乎没仃羞别，而从

15、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-Miseshy力最 人伯出现在A点，从键合界面外朗往键合界面屮心，应力幅值明显降低。此结果符合键合物 理模型的预期。图5键介而四点温度变化Fig 5. Temperature of bond interface over time图6键合啲以点应力动转性曲线Fig 6. Von-Mises stress of bond interface over time从等效蜩性应变分布云图（图7）可以看出，A点蜩性应变最人，键介而上觀性应变分 布同样从外由到中心逐渐减小，町见键介线根部为疲劳危险区，这与实验中观察到键

16、介线总 是从根部开始剥离的现彖一致。90DAL SOLUTIOX 图7键合线等效舉性代变云图Fig 7. Equivalent plastic strain of bond wire图8是A点z向正应力随z向应变的迟滞曲线，从图屮町以看血 随着功率循环次数增多, 迟滞曲线趋于稳定，说明每周期应变能增最趋于稳定.FEA R即ort15 0.0000 0.00020.00040.00030 00080X)010md 乏图8 A点z向应力应变滞回环Fig 8 z axial stress over strain of point A图9为A点应变能密度动特性曲线，从中町以看出，应变能密度随时间增加近

17、似阶梯状 积累增加，在升温阶段及降温阶段前半段不变，后半段增加，说明材料发生了一定的貌性流 动：经过9次功率循环后，毎周期应变能密度増杲已经趋稳定，为0.06753险a,代入公式 (2),町以得出，在功率循环过程中，功率芯片结温的变化幅度为48. 7C时，其预计功率循环 寿命为1, 592, 018次。图10为A点等效蜩性应变动特性曲线，从中可以看出，等效蜩性应变随时间増加近似阶 梯状枳累增加，览在一个周期内的变化规律与塑性应变能帝度变化和似；随功率循环次数的 增加，等效塑性应变的增幅在不断减小，9个功率于一个稳宦值，为0.00190,代 入公式(4)町以衍到在相同循环条件卜，塑性应变准则下其

18、功率循环寿命为2,572,196次。0000 0.18 o6 oO.40-2£ 乏、M帕* 楸a时间/SFEA ReportFEA Report图9 A点的应变能密度动特性Fig 9. Strain energy density over time of point AFEA ReportNanjing SilverMicro Electronics,LTDRII VFRMIHRn楙0述H叙瑜图10 A点等效塑性应变动特性Fig 10. Equivalent plastic strain over time of point A4.2不同温度波动幅度下模块功率循环寿命为了获得键介而温

19、度波动幅度对功率循环方:命的影响规律，本文计算了芯片生热率为15W/mm 17 W/mm 22 W/mm 25w/mm3 F的温度与应力应变，其他主热率卜键合线的温度与应力丿卫变变化规律与前文所述相同，只是数值白所差别。不同牛热率卜的 温度变化幅度图11所示：图M不同生热率卜键介面温度波动幅度Fig 11. Temperature range over heat generation从图以看出，由生热率増加，单位周期内健合线与芯片发热彊增加，键合面结温 与温度波动幅度逐渐随Z上升，波动幅度与生热率人致线性相关，拟介得到AT； = 2.533q-1.754(5)式中AT的I丫i位为£,

20、生热率q的小位为w/mm5图12不同温度波动幅度卜应变能幣度与等效塑件应变每周期增杲Figl2 Increment of strain energy density and equivalent plastic strain over temperature range 图12给出了不同键介面温度波动幅度下的应变能密度与等效塑性应变每周期增最，从 中可以看出，每周期应变能密度增駅，等效塑性应变增届均随温度变化幅度増加而増加。根据公式(2)与(4)计算并绘出不同温度波动幅度卜购变能准则和等效蜩性应变准则疲劳 寿命如表2与图13：表2不同温度变化幅度下两种疲劳准则寿命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国13不同温度变化幅度卜两种疲劳寿命Fig 1.3. Fatigue lifetime of two criterions over temperature range 由表3和图13町知，功率循环疲劳寿命在随键介

22、面温度波动幅度的增加而急剧减小, 同时还可以看到，由两种准则得到的疲劳寿命是很接近的，对图13的两条曲线进行拟介, 得到模块功率循坏寿命和键合面温度波动幅度的关系为：36. 9-1.16A7 + 0. 00208A7) 2 一 0. 00013直7； 3式(6)与两条曲线的谋差在10%以内。由在较人的健合面结温幅度卜，键合线疲劳寿命较短，I月此功率模块应避免极端I作 条件，并保持良好的散热。5结论1介绍了键介线功率循环失效的机理，材料热失配是造成键介线剥离的主耍原因。2数值计算结果表明键介线根部的Von-Mises应力与等效數性应变最人，是模块功率循 坏疲劳危险区，键合线剥离总是从根部开始；3

23、应变能法和等效蜩性应变法得到的功率循环疲劳寿命在数值上比校接近，这农明两者 都是高效、准确的功率循环疲劳寿命数值模拟方法；4分析得到了芯片生热率、键介而温度波动幅度与键介线功率循坏疲劳寿命的关系，対 计算结果进行了拟介，得到了键介线功率循坏寿命与键介面溫度波动幅度的关系式：5模块功率循环疲劳寿命随结温变化幅度的増人而急剧减小，因此功率模块在匸作中应 保持良好的散热，避免过人的热损耗。参考文献1 陈宇.集成电路対装用新旳AM%Si进合线的研制D.兰州兰州理工大学.20042 Ramminger S, Tukes P, Wachutka G Crack mechanism in wire bonding joints J Microelectronics Reliabili