本文研究的作者为Haoran Ma（通讯作者）、Min Gou、Xingjian Tian、Wei Tan和Hongwei Liang，均来自大连理工大学集成电路学院。该研究成果以题为《基于有限元法使用不同焊料的IGBT模块可靠性仿真》的学术论文形式发表，发表于开源期刊《Metals》的2024年14卷第1141号，收录于2024年10月6日。
本研究属于电力电子封装技术与可靠性研究领域。绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为最重要的功率半导体器件之一，广泛应用于智能电网、家用电器、电动汽车等诸多领域，其可靠性直接关系到整个电子系统的可靠性。焊料作为芯片与基板间的关键互连材料，是影响电子功率封装可靠性的核心控制因素。因为焊料层高度影响了IGBT模块的结温（Junction Temperature），并且在温度变化环境下，极易发生塑性变形、蠕变等失效行为。研究表明，温度导致的失效是电子设备失效的主要原因，占比接近40%，而失效机理通常源于焊料与基板之间热膨胀系数的差异，长期的塑性变形和蠕变损伤累积会导致焊料产生空洞或裂纹，最终引发焊料失效。因此，评估和预测不同焊料在IGBT模块中的可靠性，对于器件设计、材料选择及寿命预测具有重要意义。本研究的主要目的在于，基于电-热多物理场耦合的有限元仿真方法，系统性地比较五种不同类型焊料——SAC305、烧结银（Sintered Silver）、Au80Sn20、烧结铜（Sintered Copper）和纯铟（Pure In）——在直流（DC）运行、功率循环（Power Cycle）以及电热耦合复杂环境下的互连性能和疲劳寿命，从而为IGBT模块的焊料选择和寿命预测提供理论依据。
研究采用了严谨且详细的仿真工作流程，主要包含三个核心部分：直流可靠性建模、功率循环可靠性建模以及电热耦合复杂可靠性建模。
首先，在直流可靠性建模中，研究团队使用SolidWorks软件建立了IGBT半桥模块的三维几何模型，并将其导入COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件进行有限元分析。模型包括从底部到顶部的铜基板、下层焊料、直接覆铜（DBC）板、上层焊料、硅芯片（IGBT与FRD二极管）、键合线及引脚。模型网格采用自由四面体单元划分，网格单元总数为259,054个，在保证计算精度与控制计算时间成本之间取得了平衡。本部分仿真的核心是评估不同焊料的热导率差异对模块稳态结温的影响。边界条件设定为：在电流场中，对上IGBT的集电极引脚施加3 A/mm²的电流密度，下IGBT的发射极引脚接地；在热场中，基板底面设置20,000 W/(m²·K)的对流换热系数，基板及塑壳周围设置125 W/(m²·K)的对流换热系数；在力场中，对基板底面施加固定约束。此外，还考虑了焦耳热、热膨胀等多物理场耦合。通过求解这一耦合的电-热-力多物理场模型，可以获得使用五种不同焊料时，IGBT模块内部的电流密度分布、稳态温度分布（即结温）以及应力分布。
其次，在功率循环可靠性建模中，研究的重点转向评估焊料层在交变功率负载下的疲劳寿命。负载曲线设置如图3所示，峰值功率密度为5 GW/m³，占空比约为66.7%，每个循环周期为6分钟，共仿真4个周期。本部分仿真的关键在于对焊料材料非线性力学行为的精确描述。研究中假定除焊料外的所有材料均为弹性，而对于五种焊料，则采用了Anand粘塑性本构模型来模拟其在温度和应力作用下的塑性应变与蠕变行为。该模型包含九个材料参数，研究根据文献数据为每种焊料设定了相应的参数（详见表4）。为预测焊料接点的寿命，研究采用了基于塑性应变范围的Coffin-Manson疲劳寿命模型，其参数同样通过文献查阅获得（详见表5）。仿真的过程是：在功率循环负载下，通过有限元计算得到焊料层在每个时间步的应力、应变状态，并通过Anand模型计算出累积的粘塑性应变；最后，将此应变范围代入Coffin-Manson模型，计算出焊料层的失效循环次数。研究特别关注了上焊料层，因其更靠近IGBT芯片，温度更高，更易失效。
第三，在电热耦合复杂可靠性建模中，研究模拟了一种更严苛、更接近实际复杂工况的环境，即模块在外部环境温度周期性变化的同时，还承受着内部功率的周期性开关。温度循环（Temperature Cycle）载荷设定为：环境温度从20°C开始，以15°C/min的速度升降温，并在高低温平台各保持10分钟，同样进行4个循环。功率循环载荷与上一部分相同。此仿真的边界条件除增加了周期性变化的环境温度外，其余与功率循环仿真一致。其目的是探究在外部热环境与内部电功率的双重交变载荷协同作用下，焊料层的疲劳寿命变化。仿真分析方法与功率循环类似，同样是结合Anand模型和Coffin-Manson模型进行应力应变分析和寿命预测。
研究取得了系统且量化的结果，为焊料性能比较提供了清晰的数据支持。
在直流可靠性分析结果中，仿真清晰地展示了不同焊料对IGBT结温的显著影响。以SAC305焊料为例，仿真结果显示其IGBT芯片的稳态结温高达105°C，并且键合线与芯片连接处以及焊料层边缘存在明显的应力和应变集中。比较五种焊料，烧结银焊料表现出最优异的热管理性能，其稳态结温最低，仅为90.2°C，比使用SAC305焊料的模块降低了近15°C。这主要归功于银的高热导率（240 W/(m·K)）。烧结铜焊料次之，结温与烧结银接近，显示出良好的热性能。而Au80Sn20和SAC305焊料由于热导率相对较低，结温分别高达103°C和105°C，热可靠性较差。纯铟焊料的结温为98.4°C，介于中间。这一结果直接证明了焊料热导率是影响IGBT模块工作温度和热可靠性的关键因素。
在功率循环可靠性分析结果中，研究通过应力、应变及寿命分布图揭示了失效机理。无论IGBT处于开通还是关断状态，最大应力都集中在键合线连接点和焊料层边缘。随着功率循环的进行，焊料的粘塑性应变在焊料边缘处不断累积且不可恢复，这直接导致该区域最容易发生分层和开裂。疲劳寿命分布图与此吻合，焊料边缘和键合点处的寿命最短。通过对同一易失效点的数据进行定量比较，发现Au80Sn20焊料的应力峰值最高，但其粘塑性应变累积程度却是五种焊料中最低的之一。根据Coffin-Manson模型计算出的最小疲劳寿命显示，Au80Sn20焊料的寿命最长，达到惊人的3.26 × 10^7次循环，而纯铟焊料的寿命最短，仅为5.85 × 10^3次循环，两者相差近四个数量级。烧结银焊料的寿命位列第二。这一结果明确显示，在纯功率循环条件下，Au80Sn20合金具有最出色的抗疲劳性能。
在电热耦合复杂可靠性分析结果中，研究发现了与纯功率循环相似但更严峻的失效模式。应力与粘塑性应变的集中位置与功率循环时基本相同，集中在焊料层边缘。然而，外部环境温度的交替变化进一步加剧了材料的变形。仿真结果显示，在同样的观察点，电热耦合条件下的粘塑性应变值远高于纯功率循环条件，这表明外部热环境的引入显著加速了焊料层的疲劳进程。在此复杂工况下的寿命计算结果（图12）进一步证实了Au80Sn20的优越性，其疲劳寿命仍为最高，达到1.9 × 10^6次循环。值得注意的是，SAC305焊料在此环境下的表现最差，寿命急剧下降至仅有4.44 × 10^2次循环，与Au80Sn20的寿命相差超过三个数量级。烧结银焊料的寿命依然排名第二，可靠性相对较好。纯铟焊料的寿命也极短。该结果强调了在设计需要承受复杂热-电载荷的IGBT模块时，焊料的选择必须考虑其在耦合环境下的综合可靠性，而非仅看单一指标。
基于以上结果，本研究得出了明确的结论。第一，烧结银材料具有卓越的热可靠性，能显著降低IGBT模块的直流工作结温，对于提升模块的热管理效率和长期运行稳定性至关重要。第二，在功率循环可靠性测试中，Au80Sn20合金焊料表现出最优异的抗疲劳性能，其寿命远超其他焊料，而纯铟焊料的寿命极短，凸显了金属焊料成分对疲劳行为的巨大影响。第三，在电热耦合的复杂工作环境下，Au80Sn20焊料同样展现出最长的疲劳寿命，而SAC305焊料则表现出明显的劣势。这些结论为IGBT模块的优化设计提供了关键的指导原则：在追求极致散热时，可优先考虑烧结银；在要求超高可靠性和长寿命，特别是在复杂交变工况下，Au80Sn20是最佳选择；而SAC305和纯铟则在某些特定或要求不高的场景下使用，但需注意其寿命风险。
本研究的科学价值与应用价值显著。在科学层面，它系统地将Anand粘塑性本构模型与Coffin-Manson疲劳寿命模型相结合，并应用于多种新型焊料（如烧结银、烧结铜）在IGBT模块中的可靠性评估，为相关领域的仿真研究提供了可复现的方法学范例和详尽的材料参数参考。在应用层面，研究结果为工程师在进行电力电子封装设计、焊料选型和产品寿命预测时，提供了直接、量化的理论依据和数据支撑，有助于避免因焊料选择不当导致的早期失效，从而提升电动汽车、新能源变流器等关键设备的整体可靠性和使用寿命。
本研究的亮点在于以下几个方面：首先，研究对象具有前沿性和系统性：同时对比研究了五种不同类型的焊料，包括广泛应用的传统锡基焊料SAC305、新兴的烧结银/铜技术以及用于高可靠领域的Au80Sn20和纯铟，覆盖了从低成本到高性能的多种选择，对比全面。其次，研究工况贴近实际且具有挑战性：不仅考虑了静态的直流工况和常见的功率循环，还创新性地引入了“功率循环+温度循环”的电热耦合复杂环境仿真，更真实地模拟了器件在恶劣应用场景（如汽车引擎舱）中所承受的载荷，使研究结论更具工程指导意义。第三，方法严谨，数据详实：研究采用了业界认可的多物理场耦合有限元方法、Anand模型和Coffin-Manson模型，工作流程清晰，并提供了完整的几何参数、材料属性参数和模型参数，确保了研究的可验证性。仿真结果以丰富的云图、曲线和具体数据呈现，使性能差异一目了然。最后，结论明确，指导性强：研究不仅给出了“哪种焊料更好”的定性结论，更通过具体的温度值和寿命循环次数给出了定量比较，明确指出了不同焊料在不同考核指标（热管理 vs. 疲劳寿命）下的排名和优劣，直接服务于工程决策。