IGBT熱傳導與焊料空洞的關系-深圳福英達
IGBT熱傳導與焊料空洞的關系
IGBT作為一種常用于高溫應用環境（汽車，鐵路軌道，航空航天deng）的電子元件，需要經受得住長期高溫老化的影響。錫膏是用于焊接IGBT的材料，同時也是IGBT模塊多層結構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。焊料在回流時形成氣泡和老化后金屬間化合物生長都會使得焊點出現空洞。空洞的出現會影響熱傳導并影響IGBT芯片的溫度分布。
空洞對熱傳導的影響
為了了解空洞對IGBT的熱傳導的影響，Fan等人將IGBT芯片和二極管芯片封裝到了一起，并測試不同空洞區域的溫度。從圖1可以看到， IGBT和二極管焊點之間出現空洞，會導致中心外殼溫度分布出現明顯的變化。
圖1. 空洞對IGBT和二極管外殼溫度分布的影響。
空洞的分布位置會對芯片溫度產生影響。可以發現在處于邊緣的基底焊料空洞對芯片結溫的影響幾乎可以忽視（區域a和c），但靠近IGBT和二極管的空洞（區域b和d）會顯著影響結溫。區域b和d處的空洞使得IGBT和二極管的結溫分別增長了接近6°C。由此可知，在相同的空洞尺寸下，當空洞出現在芯片中心處，則芯片處結溫會明顯增加。此外，空洞會阻礙垂直熱流，導致殼體溫度降低。
圖2. IGBT和二極管結溫分布。
空洞影響熱傳導的機理
空洞的出現增加了熱擴散角度，使得熱阻增大并減慢了熱傳導。當芯片下方出現了空洞，熱擴散角增加，使得傳熱面積增大，并減小空洞下方的熱阻。空洞對自熱擴散和互耦都有影響。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，焊料空洞對芯片結溫和外殼溫度的影響是不斷累積的，如果外殼溫度在多個點處變化，則耦合溫度更易升高，這將更容易導致IGBT模塊故障。
圖3. 熱擴散角和空洞的關系。
低空洞焊料
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參考文獻
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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