IGBT热传导与焊料空洞的关系-深圳福英达
IGBT热传导与焊料空洞的关系
IGBT作为一种常用于高温应用环境（汽车，铁路轨道，航空航天deng）的电子元件，需要经受得住长期高温老化的影响。锡膏是用于焊接IGBT的材料，同时也是IGBT模块多层结构中最脆弱的部分之一，其焊后的连接性能直接影响芯片温度和器件性能。焊料在回流时形成气泡和老化后金属间化合物生长都会使得焊点出现空洞。空洞的出现会影响热传导并影响IGBT芯片的温度分布。
空洞对热传导的影响
为了了解空洞对IGBT的热传导的影响，Fan等人将IGBT芯片和二极管芯片封装到了一起，并测试不同空洞区域的温度。从图1可以看到， IGBT和二极管焊点之间出现空洞，会导致中心外壳温度分布出现明显的变化。
图1. 空洞对IGBT和二极管外壳温度分布的影响。
空洞的分布位置会对芯片温度产生影响。可以发现在处于边缘的基底焊料空洞对芯片结温的影响几乎可以忽视（区域a和c），但靠近IGBT和二极管的空洞（区域b和d）会显著影响结温。区域b和d处的空洞使得IGBT和二极管的结温分别增长了接近6°C。由此可知，在相同的空洞尺寸下，当空洞出现在芯片中心处，则芯片处结温会明显增加。此外，空洞会阻碍垂直热流，导致壳体温度降低。
图2. IGBT和二极管结温分布。
空洞影响热传导的机理
空洞的出现增加了热扩散角度，使得热阻增大并减慢了热传导。当芯片下方出现了空洞，热扩散角增加，使得传热面积增大，并减小空洞下方的热阻。空洞对自热扩散和互耦都有影响。如果二极管的芯片面积比IGBT小，则二极管与IGBT的耦合热阻比IGBT与二极管的耦合热阻更容易受到空洞影响。此外，焊料空洞对芯片结温和外壳温度的影响是不断累积的，如果外壳温度在多个点处变化，则耦合温度更易升高，这将更容易导致IGBT模块故障。
图3. 热扩散角和空洞的关系。
低空洞焊料
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参考文献
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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