CN104573266A - 一种基于三维建模的分析空洞对igbt热可靠性影响的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于三维建模的分析空洞对IGBT热可靠性影响的方法，用于IGBT失效分析与可靠性评估。根据封装内部各结构层的尺寸，建立简化的三维IGBT热仿真模型。对该模型各个层赋以相对应的材料热学特性，然后进行网格划分以及设定该模型的边界条件和初始条件。模型通过相应的实验进行合理性验证后，对比分析结果，得到芯片表面峰值温度随空洞体积变化的曲线。根据器件不同的应用条件和环境，可分别进行相应的模型仿真来得到空洞对芯片温度分布的影响。可以利用仿真结果辅助对器件进行可靠性评估等。

Description

一种基于三维建模的分析空洞对IGBT热可靠性影响的方法

技术领域

本发明涉及一种模拟分析的方法，具体涉及绝缘栅双极晶体管(IGBT)的热失效分析，主要应用于IGBT的热失效分析与封装可靠性技术领域。

背景技术

绝缘栅双极晶体管(IGBT)是一种综合了金属-氧化层半导体场效晶体管(MOSFET)和双极型晶体管(BJT)结构的器件，它同时具有驱动简单、损耗低，耐高压和大电流等优点。目前，IGBT已经在电力电子领域得到广泛的应用。

在IGBT封装过程中，芯片的焊接工艺往往对器件的整个热性能起关键性的影响，尤其是焊料层中空洞的存在直接影响到了器件的可靠性。但是，由于工业生产过程中对于高效高产的追求，空洞在焊料层中普遍存在。因此焊料层空洞的研究对半导体器件的可靠性评估、性能研究和热设计至关重要。

图1为一个TO-247封装的IGBT内部结构图。如图所示，由于器件上部的塑封材料热导率很低，芯片工作产生的热量主要是向下方热沉传递。当热量传输经过焊料层时，如果器件在封装焊接过程中焊料层产生了空洞，在空洞位置热向下传递受阻，造成热量在芯片上的累积，这将导致芯片表面温度的不均匀分布，如果空洞面积较大，那么温度的不均匀分布将加剧，最终将会引起芯片局部温度过高而导致器件失效。因此，研究空洞大小、位置以及形状对芯片表面温度分布的影响，对IGBT器件的可靠性评估很有帮助。

目前，对于空洞的检测方法主要是X光扫描、超声波扫描技术以及剪切力测试等技术。但是剪切力测试属于破坏性测试；器件经过X光或者超声波扫描之后再进行热阻测试来判定空洞对器件热可靠性影响，检验流程繁琐，并且得到的结果不够准确。而利用建立热仿真模型分析的方法可以分别针对不同大小、不同形状、不同位置的空洞对芯片温度的影响进行分析，能够快速、准确的得到相关结论。

现有常用的普通器件的热仿真模型都是根据器件的整体结构来建立的，即将整个芯片都作为一个热源，或者在芯片表面的有源区作为发热区域，从而研究空洞的分布对器件温度分布的影响。IGBT不同与其他类型的半导体器件，工作原理不同，发热位置不同，所以空洞对各自热特性的影响也不相同，因此，一般器件通用的热仿真模型并不适用于IGBT器件的热仿真。本发明中的IGBT三维热仿真模型是根据IGBT的导通原理和芯片内部结构建立元胞级别的三维热仿真模型，从而对于器件的热特性进行有限元模拟分析。

在经典热力学中，热量的传递方式主要有三种：热传导、对流传热和热辐射。由于在功率器件内部，热量主要通过热传导传递，因此，在器件内部结构的热模拟中通常可以忽略对流传热和热辐射。根据热传导的定义，热量从温度高的一侧向另一侧传递，满足如下关系：

$Q=\frac{\mathrm{kA}(T_H-T_L)t}{x}---\left(1\right)$

其中：t为时间，Q为时间t内的热传量；k为材料的导热系数(热传导率)；A为导热面积；X为存在温差两侧的间距。

有限元计算方法是一个求微分热场方程的极值的过程。瞬态温度场变量T(x,y,z,t)在举行坐标下满足微分方程：

$\frac{\∂}{x}\left(k_x\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{y}\left(k_y\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{z}\left(k_z\frac{\∂T}{\∂z}\right)+q=C_p\frac{\∂T}{\∂t}---\left(2\right)$

Cp为材料比热，为温度与实践的变化率。对于各项同性导热材料，(2)式可简化为：

$k(\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂y}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2})+q=C_p\frac{\∂T}{\∂t}---\left(3\right)$

稳态情况下，上式可简化为：

$\frac{\∂}{x}\left(k_x\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{y}\left(k_y\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{z}\left(k_z\frac{\∂T}{\∂z}\right)+q=0$

$k(\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂y}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2})+q=0---\left(4\right)$

基于初始条件，边界条件建立热场方程，然后有限元方程最终通过迭代法或者消去法计算出结果。

本方法可用于多种封装的IGBT器件的分析，分析方法快捷、简单、准确，适用于IGBT器件/模块的可靠性研究、封装质量评估等领域。

发明内容

本发明的主要目的在于建立IGBT的三维热仿真模型，并利用此模型模拟分析空洞对IGBT器件内部温度分布的影响。从而对器件设计以及封装工艺上的改进提出建议。

本发明要解决的技术问题如下：

(1)针对IGBT的工作原理在模型中设置发热源；

(2)在一个完整的IGBT芯片中包含了上万个IGBT元胞单元，对模型进行简化设计从而对仿真过程进行优化。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于三维建模的空洞对IGBT热可靠性影响分析的方法，该方法的实现过程如下：

图2为IGBT最小单位元胞的剖面示意图，在图中标识了导通状态下，电流的流向。根据IGBT的工作原理，当IGBT处于正向导通状态下，栅下P阱表面形成反型，在器件的源漏之间形成电流通路。电子由N+源区经沟道到漏极，并垂直地流入N-外延区中，由于电子的流入降低了N-区的电位，加速P+衬底向N-外延区注入空穴的进程，使器件很快进入导通状态。注入的空穴大部分与经沟道流入的电子复合，形成IGBT连续的沟道电流。此时J1结正偏，衬底P+区注入的载流子在N-基区产生电导调制，N-的电导率迅速增加，使IGBT具有很高的正向导通电流密度。一般为满足一定的耐压要求，N-区往往选择较厚且轻掺杂的外延层，所以N-区电阻较大。而当MOSFET沟道形成后，以P+基极注入到N-层的空穴(少子)，对N-层进行电导调制，使N-区的载流子浓度得到显著提高，即垂直方向导电沟道的电流增大。相对较高的电阻加上大电流使得垂直方向的导电沟道的耗散功率很大，所以可以认为垂直方向的导电沟道是IGBT器件的主要热源。

但是，在一个完整的IGBT芯片中，含有上万个独立元胞结构，如果在模型中将此上万个元胞都表现出来，那么模拟计算过程将变得极为繁琐。为了简化模型的仿真运算，保持竖直方向(Z轴)上的尺寸不变，在原始模型上截取一个含有n×n个元胞阵列的部分作为三维热仿真模型。

因此，基于以上的工作原理和IGBT器件的封装结构，建立三维热仿真模型如图3-图5所示。

该方法的具体实施流程如下,

(1)测量封装内部各结构层的尺寸。

(2)根据(1)中所得尺寸，建立简化的三维IGBT热仿真模型。模型中自下而上依次是热沉1、焊料层2、背层金属3、芯片4，原胞5以阵列均匀分布在芯片中。

(3)对该器件开帽，在恒温平台对该器件上施加适量功率A，利用红外温度测量设备测量器件芯片表面的温度。

(4)对该模型各个层的材料赋以相对应的热学特性，然后进行网格划分以及设定该模型的边界条件以及初始条件。根据实验中的实验条件和加热功率，设定模型底部恒温，在(3)中，整个芯片的功耗为A，根据模型和整个芯片的体积比例关系，等比例加载到模型中芯片部分的功耗约为B，。最后进行模拟计算得到芯片的表面热分布。

(5)利用(3)中实验结果验证(4)中模型仿真结果。

(6)模型通过合理性验证后，针对焊料层中不同比例的空洞分别建立相对应的模型，在相同的边界条件以及初始条件下进行模拟计算，对比不含空洞以及含不同比例空洞模型的仿真结果，可以得到不同体积的空洞对IGBT温度分布的影响。

(7)对比分析(6)中结果，得到芯片表面峰值温度随空洞体积变化的曲线。

根据器件不同的应用条件和环境，可分别进行相应的模型仿真来得到空洞对芯片温度分布的影响。而且，由于在生产制造中器件焊料层空洞的出现是不可避免的，可以利用仿真结果(7)辅助对器件进行可靠性评估等。

附图说明

图1TO-247封装的IGBT内部结构图；

图2IGBT单位元胞的剖面示意图；

图3IGBT三维热仿真模型截面示意图(XOZ平面)；

图4IGBT三维热仿真模型顶视图；

图5IGBT三维热仿真模型立体图。

图6为本方法的实施流程图。

图中：1、热沉，2、焊料层，3、背层金属，4、芯片，5、原胞。

具体实施方式

以TO-247封装的IGBT为例，该方法的具体实施流程如下：

(1)测量TO-247封装内部各结构层的尺寸。

(2)根据(1)中所得尺寸，建立简化的三维IGBT热仿真模型如图3所示。模型中自下而上依次是：热沉(铜)1，长度为252微米，宽度为378微米，厚度为1700微米；焊料层2，长度为126微米，宽度为126微米，厚度为50微米，背层金属3，长度为126微米，宽度为126微米，厚度为1.5微米；芯片(硅)4，长度为126微米，宽度为126微米，厚度为110微米。其中81个原胞5以9×9的阵列均匀分布在芯片中，每个原胞的长度为4微米，宽度为4微米，厚度为110微米，各原胞之间的间距为10微米。

(3)对该器件开帽，在恒温平台对该器件上施加适量功率40W，利用红外温度测量设备测量器件芯片表面的温度。

(4)对该模型各个层的材料赋以相对应的热学特性，然后进行网格划分以及设定该模型的边界条件以及初始条件。根据实验中的实验条件和加热功率，设定模型底部恒温在27摄氏度，整个芯片的功耗为40W，根据模型和整个芯片的体积比例关系，分配到模型中芯片部分的功耗约为0.024W，那么平均分布在81个原胞体中的生热密度约为1.65x10¹¹W/m³。最后进行模拟计算得到芯片的表面热分布。

(5)利用(3)中实验结果验证(4)中模型仿真结果。

(6)模型通过合理性验证后，针对焊料层中不同比例的空洞分别建立相对应的模型，在相同的边界条件以及初始条件下进行模拟计算，对比不含空洞以及含不同比例空洞模型的仿真结果，可以得到不同体积的空洞对IGBT温度分布的影响。

(7)对比分析(6)中结果，得到芯片表面峰值温度随空洞体积变化的曲线。

根据器件不同的应用条件和环境，可分别进行相应的模型仿真来得到空洞对芯片温度分布的影响。而且，由于在生产制造中器件焊料层空洞的出现是不可避免的，可以利用仿真结果(7)辅助对器件进行可靠性评估等。

Claims (1)

1.一种基于三维建模的空洞对IGBT热可靠性影响分析的方法，其特征在于：该方法的具体实施流程如下,

S1测量封装内部各结构层的尺寸；

S2根据S1中所得尺寸，建立简化的三维IGBT热仿真模型；模型中自下而上依次是热沉(1)、焊料层(2)、背层金属(3)、芯片(4)，原胞(5)以阵列均匀分布在芯片中；

S3对该器件开帽，在恒温平台对该器件上施加适量功率A，利用红外温度测量设备测量器件芯片表面的温度；

S4对该模型各个层的材料赋以相对应的热学特性，然后进行网格划分以及设定该模型的边界条件以及初始条件；根据实验中的实验条件和加热功率，设定模型底部恒温，在(3)中，整个芯片的功耗为A，根据模型和整个芯片的体积比例关系，等比例加载到模型中芯片部分的功耗约为B，最后进行模拟计算得到芯片的表面热分布；

S5利用S3中实验结果验证S4中模型仿真结果；

S6模型通过合理性验证后，针对焊料层中不同比例的空洞分别建立相对应的模型，在相同的边界条件以及初始条件下进行模拟计算，对比不含空洞以及含不同比例空洞模型的仿真结果，可以得到不同体积的空洞对IGBT温度分布的影响；

S7对比分析S6中结果，得到芯片表面峰值温度随空洞体积变化的曲线；

根据器件不同的应用条件和环境，可分别进行相应的模型仿真来得到空洞对芯片温度分布的影响；而且，由于在生产制造中器件焊料层空洞的出现是不可避免的，可以利用仿真结果S7辅助对器件进行可靠性评估。