功率半導(dǎo)體模塊通常采用減小結(jié)殼熱阻的方式來降低工作結(jié)溫，集成 Pin-Fin 基板代替平板基板是一種有效選擇。兩種封裝結(jié)構(gòu)的熱阻抗特性不同，可能對其失效機理及應(yīng)用壽命產(chǎn)生影響。該文針對平板基板和集成 Pin-Fin 基板兩種常見車規(guī)級 IGBT 模塊進行了相同熱力測試條件（結(jié)溫差 100K，最高結(jié)溫 150℃）下的功率循環(huán)試驗，結(jié)果表明，散熱更強的 Pin-Fin 模塊功率循環(huán)壽命低于平板模塊。失效分析顯示兩者失效模式均為鍵合線脫附，但 Pin-Fin 模塊的鍵合失效點集中在芯片中心區(qū)域，而平板模塊的鍵合失效點則較為分散?；陔?熱-力耦合分析方法，建立功率循環(huán)試驗的有限元仿真模型，結(jié)果表明，Pin-Fin 模塊的芯片溫變梯度更大，芯片中心區(qū)域鍵合點溫度更高，使芯片中心區(qū)域的鍵合點塑性變形更大，導(dǎo)致壽命較平板模塊更短，與試驗結(jié)果吻合。

隨著社會發(fā)展和科技進步，電能對人類日常生活質(zhì)量提升發(fā)揮著重要作用。絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）作為控制電能轉(zhuǎn)換的核心零部件，其性能和可靠性對于電動化的推廣應(yīng)用起到推動作用。IGBT 正在朝著高可靠、小型化、高速開關(guān)、高功率密度、高工作結(jié)溫的方向發(fā)展，這對于芯片和封裝提出了更高的要求。IGBT 的封裝形式有分立器件和模塊，其中應(yīng)用于新能源汽車、工業(yè)變頻器、智能電網(wǎng)、軌道交通領(lǐng)域的多為大功率 IGBT 模塊。服役中的 IGBT 模塊，在電能轉(zhuǎn)化的過程中產(chǎn)生損耗發(fā)熱，進而引起器件結(jié)溫的上升，對 IGBT 模塊的可靠性產(chǎn)生很大影響：一方面，過高的溫度會直接引起器件過熱失效；另一方面，隨應(yīng)用工況不斷波動的芯片結(jié)溫，也會導(dǎo)致器件內(nèi)部互連結(jié)構(gòu)發(fā)生熱疲勞，引發(fā)器件的疲勞失效?；谏鲜鲈?，控制芯片結(jié)溫，降低器件工作時的溫度，成為器件開發(fā)的共性目標之一。在芯片層面，可以通過降低芯片壓降進而減小功率損耗，降低芯片結(jié)溫；在封裝層面，可以通過降低器件熱阻，提升器件散熱效率，也可以實現(xiàn)降低結(jié)溫的目標。

傳統(tǒng) IGBT 模塊通常采用間接液冷的散熱方式，如圖 1a 所示，模塊采用平板基板，通過基板與散熱器表面貼合進行散熱。為了降低接觸熱阻，通常在基板底面涂覆導(dǎo)熱硅脂，以填充基板與散熱器表面之間的縫隙。為了降低模塊熱阻，一些車規(guī)級 IGBT模塊采用集成 Pin-Fin（針翅）基板的直接液冷的方案，如圖 1b 所示，避免了導(dǎo)熱硅脂層和散熱器表面的散熱路徑，使得散熱效率得到了極大地提升。模塊熱阻的降低，使得相同電流下，直接液冷模塊的結(jié)溫更低，結(jié)溫波動更小，根據(jù) CIPS2008 壽命模型計算，直接液冷模塊的壽命更高。但集成Pin-Fin 基板的引入，也是為了模塊在相同結(jié)溫條件下增強其出流能力，在低的測試電流下顯然無法評估其封裝可靠性。文獻[7]在對比三家不同廠商的IGBT 模塊時，考慮模塊的壓降、熱阻特性的不同，分別對比了相同電流和相同熱力條件兩種測試模式下的可靠性壽命，結(jié)果表明兩種測試模式下的結(jié)論完全不同。

實際應(yīng)用時，為了最大程度發(fā)揮模塊特性和降低成本，通常使模塊工作在最高允許結(jié)溫附近，即在相同熱力條件下更能體現(xiàn)出模塊封裝可靠性的差異。因此，即使結(jié)溫是影響封裝可靠性的首要因素，在模塊設(shè)計時也不能基于單一目標進行，文獻[8]認為功率模塊內(nèi)部存在復(fù)雜的電-熱-力多物理場耦合效應(yīng)，寄生參數(shù)、熱阻和可靠性相互制約，需要利用多目標協(xié)同優(yōu)化設(shè)計方法。雖然集成 Pin-Fin模塊相比平板模塊熱阻降低，但散熱結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化導(dǎo)致熱容也存在差異，即使在相同的熱力條件下，內(nèi)部各層組件也可能會表現(xiàn)出不同的溫度分布和溫度變化規(guī)律，最終都可能影響模塊的服役可靠性。文獻[9]研究了功率循環(huán)試驗中不同開通時間對模塊失效機理的影響，基于實驗和仿真分析揭示了內(nèi)部溫度分布的變化會直接改變模塊的失效模式。進一步地，文獻[10]通過分立器件并聯(lián)的方式巧妙的驗證了芯片表面溫度梯度對功率循環(huán)壽命的影響，然而沒有在 IGBT 模塊中進行驗證。

本文旨在評估平板模塊和集成 Pin-Fin 模塊在可靠性方面的差異，通過相同熱力測試條件下的秒級功率循環(huán)試驗，并結(jié)合有限元數(shù)值模擬方法，從溫度分布、溫變速率、芯片結(jié)溫、模塊熱阻、熱容、鍵合線熱應(yīng)力等維度進行對比，揭示了車規(guī)級可靠性標準條件下，散熱底板對模塊壽命的影響規(guī)律，對模塊的設(shè)計和應(yīng)用提供重要指導(dǎo)作用。

1.1 試驗原理

IGBT 模塊的設(shè)計壽命長，新能源汽車中 IGBT模塊工作壽命要求達到15 年，風(fēng)力發(fā)電機中IGBT 模塊工作壽命要求達到 25 年，機車牽引變流器中 IGBT 模塊工作壽命甚至要求至少達到 30 年。為了縮減試驗周期，通常對 IGBT 模塊進行加速壽命實驗，而功率循環(huán)試驗是公認的最主要的可靠性測試方法之一。功率循環(huán)是對 IGBT 模塊施加周期性電流，利用模塊自身工作時產(chǎn)生的功率損耗，使芯片結(jié)溫發(fā)生周期性波動，模擬芯片自生熱對模塊可靠性的影響，實驗原理如圖 2 所示。

功率循環(huán)試驗的控制策略有固定導(dǎo)通關(guān)斷時間、恒定結(jié)溫差、恒定殼溫差、恒定功率損耗等。固定導(dǎo)通關(guān)斷時間的控制策略下，由于器件的老化會使熱阻增加，引起芯片最高結(jié)溫和結(jié)溫差的上升，從而顯著縮短模塊的疲勞壽命，因此該方法的實驗條件最為嚴苛，也更加接近實際工況。恒定結(jié)溫差的控制策略下，隨著模塊的老化，通過動態(tài)調(diào)整集電極電流大小和散熱水流量，使功率循環(huán)試驗的各個階段，芯片的結(jié)溫差維持在相同的水平，相當于在器件老化過程中進行主動補償，因而會過高地估計模塊疲勞壽命，其他兩種控制策略也存在這種問題。因此，歐洲電力電子中心汽車電力電子模塊認證工作組頒布的 AQG 324 標準中，規(guī)定了只能使用第一種控制策略，在功率循環(huán)試驗過程中不能調(diào)整試驗條件對老化進行補償。

功率循環(huán)試驗通常選取電熱特征參數(shù)作為失效先兆參量，通過監(jiān)測參數(shù)的變化來判斷模塊的狀態(tài)。常用的 IGBT 模塊失效特征參數(shù)主要包括芯片結(jié)溫 Tj、集射極飽和壓降 Vce(sat)和結(jié)-殼熱阻 Rth(j-c)。結(jié)溫通過溫敏電參數(shù)法測得，如小電流下飽和壓降Vce(sat)，然后通過校準關(guān)系換算得到。飽和壓降Vce(sat)和結(jié)-殼熱阻 Rth(j-c)則可以反映鍵合線和焊料層的老化狀態(tài)，根據(jù)標準定義，當 Vce(sat)與初始值相比增加 5%或 Rth(j-c)與初始值相比增加 20%，可以判定器件失效，此時的循環(huán)數(shù)即為器件在該條件下的功率循環(huán)壽命。

1.2 待測器件及試驗條件

本文的待測器件是兩種不同散熱結(jié)構(gòu)的 750V/400 A 車規(guī)級 IGBT 模塊，如圖 3 所示，該模塊為6 in 1 三相全橋電路拓撲，用于新能源汽車的電能轉(zhuǎn)換和能量回收。為了避免試驗條件對結(jié)果的影響，試驗采用單一控制變量原則，兩種模塊的功率循環(huán)試驗條件如表 1 所示，集電極電流 IC設(shè)置為 320 A，通過調(diào)節(jié)柵極電壓的大小，從而在相同的電流下使得 不 同 模 塊 達 到 相 同 的 熱 力 條 件 ， 也 即 結(jié) 溫 差ΔTj≈100 K，最高結(jié)溫 Tjmax≈150℃。文獻[9]中表明柵極電壓對功率模塊壽命沒有影響，功率循環(huán)試驗中可以通過柵壓來調(diào)節(jié)模塊的功率損耗。為了盡可能多的獲得實驗數(shù)據(jù)，同時減小模塊各相之間的熱耦合帶來的影響，實驗過程中將 U 相、W 相的上管接入主電路，作為被測管。

2.1 熱特性對比

功率循環(huán)實驗過程中，通過測量模塊小電流下飽和壓降 Vce(sat)，計算得到芯片結(jié)溫 Tj。實驗之前，需要對 Vce(sat)和 Tj 的關(guān)系進行標定，也即 K 曲線的標定。具體做法是，將模塊置于環(huán)境溫度試驗箱內(nèi)，將環(huán)境溫度試驗箱的溫度設(shè)置為模塊工作結(jié)溫內(nèi)的一個定值，經(jīng)過一段時間的保溫，使模塊的溫度到達設(shè)定的溫度值，此時可以認為芯片結(jié)溫即為設(shè)置的環(huán)境試驗箱溫度。在模塊的柵極施加?xùn)艠O電壓，使模塊處于開通狀態(tài)，為模塊施加一個微小的電流，如 100 mA，測量模塊的飽和壓降，即得到該溫度下模塊的飽和壓降值。隨后，改變環(huán)境溫度試驗箱的溫度，重復(fù)以上步驟，測量得到不同溫度下的模塊飽和壓降。對不同溫度下的模塊飽和壓降進行線性擬合，即可得到模塊 K 曲線。施加的小電流可以避免器件在電流作用下自生熱，導(dǎo)致芯片結(jié)溫升高，為測量帶來誤差。圖 4 給出了 4 只模塊的 K 曲線標定結(jié)果，擬合結(jié)果顯示，飽和壓降和芯片結(jié)溫的線性相關(guān)程度較高。

圖 5 給出了待測器件 1 和 3 在大電流關(guān)斷后冷卻過程中的芯片結(jié)溫變化。使用熱敏電參數(shù) Vce(sat)來計算芯片結(jié)溫時，Vce(sat)-Tj 的關(guān)系是在小電流下進行標定的，因此只能用來測量小電流下的壓降，從而計算得到降溫階段的結(jié)溫變化。使用熱敏電參數(shù) Vce(sat)來計算芯片結(jié)溫，雖然不能獲得功率循環(huán)試驗中加熱階段的結(jié)溫變化，但是降溫過程和升溫過程的溫度變化是對稱的。從測量結(jié)果來看，雖然兩種不同封裝形式的模塊的結(jié)溫波動范圍一致，但在降溫過程中，模塊 3 的結(jié)溫降溫速率高于模塊1，這是由于 Pin-Fin 基板模塊不僅結(jié)到水熱阻小于平板基板模塊，其熱容也更小，使得 Pin-Fin 基板模塊的散熱效率較高。由于 5 s 的冷卻時間相對較長，使得平板基板模塊的芯片結(jié)溫有足夠的時間冷卻到和 Pin-Fin 基板模塊相同的溫度，這也保證了散熱效率相對較低的平板基板模塊，仍然可以冷卻到最低結(jié)溫 50℃的實驗條件。

2.2 功率循環(huán)壽命

圖 6 是模塊 1 和模塊 3 的 U1 管，在功率循環(huán)試驗過程中的飽和壓降、結(jié)溫差、熱阻變化曲線。為了便于直觀地對各器件的功率循環(huán)壽命進行對比，選取模塊 1 的 U1 管失效時的壽命為 N0，其余各管的功率循環(huán)壽命以 N0 為基礎(chǔ)進行歸一化。老化過程中，熱阻的增幅不大，當器件失效時，模塊 1 的 U1管熱阻增大了 2.2%，模塊 3 的 U1 管熱阻增大了0.6%。實驗結(jié)束時，模塊 1 的 U1 管飽和壓降增大了 6.9%，模塊 3 的 U1 管飽和壓降增大了 5.1%。在圖 6 的飽和壓降曲線中，還可以看到兩次數(shù)據(jù)突變，這是由于鍵合線的脫落，使器件的電流回路電阻值增大，造成了飽和壓降的增加。由此可以判斷，器件的失效是由于鍵合線的脫落引起的，焊層出現(xiàn)了輕微的退化，但不是器件的主要失效模式。

4 只模塊的功率循環(huán)壽命統(tǒng)計結(jié)果如圖 7 所示。在相同的結(jié)溫差、最高結(jié)溫的條件下，平板基板模塊的壽命整體高于 Pin-Fin 基板模塊，就平均壽命而言，Pin-Fin 基板模塊約為 0.887N0，平板基板模塊約為 0.969N0，比 Pin-Fin 基板模塊高 9.2%。雖然Pin-Fin 模塊采用直接水冷的封裝形式降低了熱阻，提升了散熱能力和通流能力，但在相同熱力條件下，Pin-Fin 模塊的壽命低于平板基板模塊，僅從封裝可靠性的角度，Pin-Fin 基板模塊無法體現(xiàn)出優(yōu)勢。

2.3 失效分析

當實驗終止時，對模塊進行失效分析。圖 8 是實驗結(jié)束后模塊 1 的 U1 管照片，可以看到，芯片金屬層上方的鍵合點出現(xiàn)了脫落現(xiàn)象，且脫落點不止一個，而襯板覆銅上的鍵合點完好。當鍵合線發(fā)生了脫落之后，同一芯片上剩余鍵合線的電流會瞬間增大，從而加速了鍵合線的脫落失效。

圖 9 是實驗后模塊 1 的 U1 管芯片焊層超聲掃描照片。從超聲掃描結(jié)果來看，焊層的退化程度較小，與功率循環(huán)試驗過程中熱阻的變化規(guī)律一致。

圖 10 給出了 4 只模塊的鍵合線失效位置分布。脫落的鍵合點均位于芯片表面金屬層區(qū)域，襯板覆銅上鍵合點完好。脫落的鍵合點分布于芯片中心，芯片邊緣鍵合線未發(fā)現(xiàn)失效。相對于平板基板模塊而言，Pin-Fin 基板模塊脫落的鍵合點更加集中于芯片中心位置。

為了進一步對比不同散熱基板形式模塊的熱機械性能，進行了電-熱-力多物理場耦合的有限元分析。有限元分析可以通過數(shù)值模擬的方式，獲得在實驗中不易測量的物理量，如溫度梯度、應(yīng)力、塑性應(yīng)變等，為分析問題、解決問題提供了新的方法和工具。

3.1 仿真模型

仿真采用全尺寸三維模型，為了減少計算量，去除了管殼、母排端子、輔助端子、硅膠，僅包含芯片、鍵合線、焊層、襯板、基板等結(jié)構(gòu)，其中基板分為平板基板和 Pin-Fin 基板兩種形式。仿真模型忽略了模塊中可能存在的缺陷，焊層簡化為厚度均勻、無空洞的層狀結(jié)構(gòu)。表 2 列出了仿真中使用的材料參數(shù)，其中，芯片電阻率采用文獻[21]中提出的基于器件 I-V 特性的等效電阻率計算方法進行定義，鋁鍵合線使用雙線性彈塑性模型，屈服強度為 30 MPa，切線模量為 500 MPa。焊料使用 Anand 粘塑性本構(gòu)模型[23-24]其余材料設(shè)置為彈性材料。

采用電-熱-力多物理場耦合模擬功率循環(huán)試驗中電流產(chǎn)生焦耳熱，引起器件溫度上升，導(dǎo)致器件各部件間產(chǎn)生熱應(yīng)力和變形。仿真條件和實驗條件相同，通過對芯片加載和實驗相同的電流來進行產(chǎn)熱，基板底部施加對流換熱邊界，模擬散熱器對模塊散熱。通過調(diào)整對流換熱系數(shù)，使芯片平均結(jié)溫在 50℃~150℃之間波動，與實驗條件保持一致。

3.2 仿真結(jié)果

圖 11 是平板基板模型和 Pin-Fin 基板模型的結(jié)溫變化曲線，可以看到，Pin-Fin 基板模塊的結(jié)溫變化速率高于平板基板模塊，在升溫階段，Pin-Fin 基板模塊芯片結(jié)溫早于平板基板模塊升高至最大值，在降溫階段，Pin-Fin 基板模塊芯片結(jié)溫下降也比平板基板模塊更早達到最小值。下降階段的溫度變化趨勢也在實驗中得到了證實，如圖 5 所示。

圖 12 給出了大電流關(guān)斷時刻，平板基板模塊和Pin-Fin 基板模塊芯片結(jié)溫的分布。大電流關(guān)斷時刻，芯片達到最高溫度，對于平板基板模塊，芯片中心最高結(jié)溫為 173.8℃，芯片邊角最高結(jié)溫為 106.2℃，溫度差值為 67.6℃。與之相對的 Pin-Fin 基板模塊，芯片中心最高結(jié)溫為 176.8℃，芯片邊角最高結(jié)溫為102.6℃，溫度差值為 74.2℃。結(jié)合圖 11，兩種不同結(jié)構(gòu)的散熱底板封裝形式，在平均結(jié)溫相同的條件下，Pin-Fin 基板模塊的芯片結(jié)溫分布更加不均勻，芯片上的溫度梯度更大，芯片中心的最高溫度更高。

進一步地，提取平板基板模塊和 Pin-Fin 基板模塊芯片表面第 1 鍵合點和第 2 鍵合點位置的溫度數(shù)據(jù)，如圖 13 所示。鍵合點溫度分布趨勢與芯片結(jié)溫分布趨勢相同，芯片最中心區(qū)域的鍵合點溫度最高，工況相對芯片邊角的鍵合點更為嚴酷，增加了中心鍵合點失效的可能。Pin-Fin 基板模塊的鍵合點，最高溫為 170.82℃，平板基板模塊相同位置的鍵合點，溫度為 166.34℃，比 Pin-Fin 基板模塊低 4.48℃。Pin-Fin 基板模塊最邊緣鍵合點的溫度為 138.68℃，平板基板模塊相同位置的鍵合點，溫度為 142.13℃，比 Pin-Fin 基板模塊高 3.45℃。同一芯片上的同一排鍵合點，Pin-Fin 基板模塊的溫度差為 32.13℃，平板基板模塊為 24.21℃。由此可以看出，Pin-Fin 模塊鍵合點的溫度差異更大，溫度分布不均勻性相較于平板基板模塊更嚴重，這也解釋了 Pin-Fin 基板模塊的鍵合線的脫落更集中在芯片中央。平板基板模塊脫落的鍵合點相對分散，與工藝離散性相關(guān)。

圖 14 是大電流關(guān)斷時刻，平板基板模塊和Pin-Fin 基板模塊鍵合線的塑性應(yīng)變分布，鍵合點處出現(xiàn)塑性應(yīng)變的最大值，平板基板模塊鍵合線的最大塑性應(yīng)變?yōu)?2.335×10^-3，Pin-Fin 模塊鍵合線的最大塑性應(yīng)變?yōu)?2.504×10^-3，相較平板基板模塊高 7.2%。圖 15 給出了有限元數(shù)值模擬得到的芯片中心鍵合點在 3 個循環(huán)周期內(nèi)的塑性應(yīng)變累積，可以看到，第三個循環(huán)和第二個循環(huán)的塑性應(yīng)變增量差別較小，單個功率循環(huán)周期內(nèi)的塑性應(yīng)變量趨于穩(wěn)定。在第三個循環(huán)的過程中，平板基板模塊鍵合線的塑性應(yīng)變變化量為 1.01×10^-3，Pin-Fin 基板模塊鍵合線的塑性應(yīng)變變化量為 1.36×10^-3，比平板基板模塊高出34.7%。

在相同的平均結(jié)溫變化下，經(jīng)過長時間的累積效應(yīng)，Pin-Fin 基板模塊鍵合線的損傷將高于平板基板模塊鍵合線的損傷，從而導(dǎo)致相同平均結(jié)溫下Pin-Fin 基板模塊的功率循環(huán)壽命低于平板基板模塊。不論功率循環(huán)試驗還是仿真分析，對比的是相同結(jié)溫下的 Pin-Fin 模塊和平板模塊結(jié)溫變化速率對可靠性的影響，即在相同熱力條件下更能體現(xiàn)出模塊封裝可靠性的差異。實際 IGBT 服役工況下，Pin-Fin 模塊熱阻低，相同結(jié)溫下其出流能力相比平板模塊更強。為了最大程度發(fā)揮模塊特性和降低成本，追求更高的性價比，通常使模塊工作在最高允許結(jié)溫附近。IGBT 模塊產(chǎn)品的可靠性要求是通過指定溫度變化范圍條件下的功率循環(huán)試驗，Pin-Fin 模塊和平板模塊僅在功率循環(huán)壽命上存在差異。

Pin-Fin 基板直接液冷的特性有效降低了 IGBT模塊整體熱阻，使得模塊散熱效率得到了極大地提升，在電動汽車應(yīng)用領(lǐng)域正逐步替代傳統(tǒng)平板模塊。本文基于這兩種 IGBT 模塊，研究了不同散熱底板對模塊功率循環(huán)壽命的影響，可以得到如下結(jié)論：

1）基于封裝可靠性的視角，在相同結(jié)溫波動和最高結(jié)溫下，Pin-Fin 基板模塊芯片表面溫度分布不均勻程度更高，芯片表面溫度梯度更大，芯片最高溫度更高，中心鍵合線的塑性變形更大，導(dǎo)致芯片中心鍵合線更容易脫落，最終導(dǎo)致其功率循環(huán)壽命相比平板模塊更短；

2）基于應(yīng)用可靠性的視角，由于 Pin-Fin 基板模塊熱阻更小，在相同輸出電流下其最高結(jié)溫和結(jié)溫波動更低，其服役壽命預(yù)計會更高。另外，更低的熱阻意味著在最高允許結(jié)溫下可以提高模塊的出流能力，同時其最高結(jié)溫和結(jié)溫波動也會增加，服役壽命也會低于平板模塊；

3）為了滿足應(yīng)用的多重需求，模塊設(shè)計需要綜合考慮通流能力和可靠性能力，對于 Pin-Fin 基板模塊，在更換散熱底板降低模塊熱阻的同時，若要實現(xiàn)同等功率循環(huán)壽命，也需要采取措施提升其可靠性。兩者不是簡單的替換關(guān)系，在設(shè)計目標方面應(yīng)該是獨立關(guān)系，在多物理場方面則是相互耦合關(guān)系，未來基于電-熱-力多目標優(yōu)化的設(shè)計方法尤為重要。

綜上所述，本文從相同溫度條件下對比分析了兩種散熱底板下的功率循環(huán)試驗壽命差異。功率循環(huán)加速老化試驗與實際應(yīng)用條件之間存在差別，需采用更恰當?shù)募铀賶勖囼灧椒ê蜅l件來表征器件在應(yīng)用工況下的壽命。