IGBT熱傳導(dǎo)與焊料空洞的關(guān)系-深圳福英達(dá)
IGBT熱傳導(dǎo)與焊料空洞的關(guān)系
IGBT作為一種常用于高溫應(yīng)用環(huán)境（汽車，鐵路軌道，航空航天deng）的電子元件，需要經(jīng)受得住長期高溫老化的影響。錫膏是用于焊接IGBT的材料，同時(shí)也是IGBT模塊多層結(jié)構(gòu)中最脆弱的部分之一，其焊后的連接性能直接影響芯片溫度和器件性能。焊料在回流時(shí)形成氣泡和老化后金屬間化合物生長都會(huì)使得焊點(diǎn)出現(xiàn)空洞?？斩吹某霈F(xiàn)會(huì)影響熱傳導(dǎo)并影響IGBT芯片的溫度分布。
空洞對(duì)熱傳導(dǎo)的影響
為了了解空洞對(duì)IGBT的熱傳導(dǎo)的影響，F(xiàn)an等人將IGBT芯片和二極管芯片封裝到了一起，并測試不同空洞區(qū)域的溫度。從圖1可以看到， IGBT和二極管焊點(diǎn)之間出現(xiàn)空洞，會(huì)導(dǎo)致中心外殼溫度分布出現(xiàn)明顯的變化。
圖1. 空洞對(duì)IGBT和二極管外殼溫度分布的影響。
空洞的分布位置會(huì)對(duì)芯片溫度產(chǎn)生影響?？梢园l(fā)現(xiàn)在處于邊緣的基底焊料空洞對(duì)芯片結(jié)溫的影響幾乎可以忽視（區(qū)域a和c），但靠近IGBT和二極管的空洞（區(qū)域b和d）會(huì)顯著影響結(jié)溫。區(qū)域b和d處的空洞使得IGBT和二極管的結(jié)溫分別增長了接近6°C。由此可知，在相同的空洞尺寸下，當(dāng)空洞出現(xiàn)在芯片中心處，則芯片處結(jié)溫會(huì)明顯增加。此外，空洞會(huì)阻礙垂直熱流，導(dǎo)致殼體溫度降低。
圖2. IGBT和二極管結(jié)溫分布。
空洞影響熱傳導(dǎo)的機(jī)理
空洞的出現(xiàn)增加了熱擴(kuò)散角度，使得熱阻增大并減慢了熱傳導(dǎo)。當(dāng)芯片下方出現(xiàn)了空洞，熱擴(kuò)散角增加，使得傳熱面積增大，并減小空洞下方的熱阻?？斩磳?duì)自熱擴(kuò)散和互耦都有影響。如果二極管的芯片面積比IGBT小，則二極管與IGBT的耦合熱阻比IGBT與二極管的耦合熱阻更容易受到空洞影響。此外，焊料空洞對(duì)芯片結(jié)溫和外殼溫度的影響是不斷累積的，如果外殼溫度在多個(gè)點(diǎn)處變化，則耦合溫度更易升高，這將更容易導(dǎo)致IGBT模塊故障。
圖3. 熱擴(kuò)散角和空洞的關(guān)系。
低空洞焊料
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參考文獻(xiàn)
Fan, Y.H., Cui, H.Y., Lou, Z.B., Teng, J.J., Tang, Z. & Peng, J.Z. (2020). Base solder voids identification of IGBT modules using case temperature. Microelectronics Reliability, vol.115.
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