摘要：雙面散熱(Double-sided cooling, DSC)封裝能大幅降低封裝寄生電感和結(jié)殼熱阻，提升電氣裝備的功率密度，是SiC 功率模塊的發(fā)展趨勢(shì)。然而，DSC SiC 功率模塊的失效機(jī)理不明、壽命模型缺失，成為制約其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸，亟待技術(shù)突破。傳統(tǒng)加速老化實(shí)驗(yàn)方法的成本較高、耗時(shí)較長(zhǎng)，不利于產(chǎn)品的快速迭代升級(jí)。針對(duì) DSC SiC 功率模塊的可靠性研究，文中提出一種基于有限元的分析方法，基于材料的疲勞老化模型及功率模塊的失效判據(jù)，建立DSC SiC 模塊的壽命模型。基于大量功率模塊的壽命測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了有限元模型的可行性和有效性，相對(duì)誤差小于 6%。此外，詳細(xì)分析SiC和Si功率模塊焊層的應(yīng)力和蠕變規(guī)律，建立不同封裝功率模塊的壽命模型。結(jié)果表明：相對(duì)于單面散熱封裝，DSC 封裝功率模塊的壽命提升一倍。采用相同封裝，SiC 功率模塊的壽命是 Si 功率模塊壽命的 30%左右。此外，還詳細(xì)分析了不同封裝材料對(duì) DSC SiC 功率模塊壽命的影響規(guī)律。為下一代DSC SiC功率模塊的研發(fā)與應(yīng)用，提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：雙面散熱；SiC 功率模塊；可靠性分析；壽命模型

0 引言

隨著晶圓材料和芯片工藝的快速發(fā)展，SiC 功率器件的成本持續(xù)降低，在國(guó)防軍工、電動(dòng)汽車(chē)、新能源等領(lǐng)域，得到廣泛應(yīng)用。低感、高溫、低熱阻、低成本的 SiC 功率模塊得到持續(xù)關(guān)注，對(duì)功率模塊的封裝結(jié)構(gòu)和封裝工藝提出了更高的要求。相對(duì)于單面散熱封裝(Single-sided cooling, SSC)，雙面散熱(Double-sided cooling, DSC)封裝的 SiC 功率模塊，充分利用芯片正面的散熱通道，降低模塊35%的結(jié)殼熱阻。此外，DSC 封裝可以消除模塊的鍵合線，減小 80%的封裝寄生電感。可以提高電氣裝備的開(kāi)關(guān)頻率，降低對(duì)熱管理的需求，從而提高裝備的功率密度。近年來(lái)，日本豐田、日本日立、美國(guó)德?tīng)柛！⒅袊?guó)中車(chē)等公司，已經(jīng)開(kāi)始探索 DSC SiC 功率模塊的商業(yè)化應(yīng)用。然而，DSC SiC 功率模塊的失效機(jī)理、壽命模型等基礎(chǔ)問(wèn)題，還有待進(jìn)一步的深入研究。

在 DSC SiC 功率模塊的研究方面，部分文獻(xiàn)研究了功率模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)、封裝結(jié)構(gòu)、封裝工藝、壽命模型。在優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，針對(duì) DSC SiC 功率模塊多物理場(chǎng)之間的相互耦合和相互制約，以封裝結(jié)構(gòu)的尺寸為優(yōu)化變量，以結(jié)殼熱阻、應(yīng)力應(yīng)變?yōu)閮?yōu)化目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)熱-力協(xié)同的封裝優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在封裝結(jié)構(gòu)方面，為了進(jìn)一步降低 DSC SiC 功率模塊的封裝寄生電感，基于磁路相消理論，可以采用P-cell/N-cell 概念，縮短功率回路，減小回路面積。此外，采用先進(jìn)的封裝結(jié)構(gòu)，譬如：倒裝、3D封裝等，可以有效降低封裝寄生電感。在封裝工藝方面，為了提升 DSC SiC 功率模塊的焊層可靠性，可以采用“低溫焊接、高溫服役”的先進(jìn)焊接技術(shù)，譬如：納米銀燒結(jié)、瞬態(tài)液相燒結(jié)等技術(shù)，提升 DSC SiC 功率模塊的可靠性。在壽命模型方面，現(xiàn)有 SSC Si 功率模塊的壽命模型，可以為研究 DSC SiC 功率模塊的壽命模型，提供借鑒。現(xiàn)有功率模塊的壽命模型，普遍采用 Coffin-Manson 模型，表征了熱循環(huán)應(yīng)力與壽命之間的映射規(guī)律。

針對(duì)鉛焊料在熱循環(huán)試驗(yàn)中的壽命，普遍采用 Norris -Landzberg 模型。隨后，Salmela O 等利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行了修正，并將其擴(kuò)展到無(wú)鉛焊料。在焊料壽命的基礎(chǔ)上，英飛凌公司提出了 Bayerer模型，計(jì)及開(kāi)通時(shí)間、鍵合線電流、鍵合線直徑等諸多影響因素，更詳細(xì)地表征功率模塊的壽命。針對(duì)新興的無(wú)焊料 SKiM 封裝功率模塊，計(jì)及鍵合線的影響，賽米控公司提出了改進(jìn)的壽命模型。

綜上，現(xiàn)有 DSC SiC 功率模塊的研究，目前主要集中在電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)性能的表征與優(yōu)化，顯示出其低感、低熱阻的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。然而，DSC SiC 功率模塊的失效模式、失效機(jī)理、應(yīng)力分布規(guī)律等基礎(chǔ)研究?jī)?nèi)容，還鮮有報(bào)道。此外，DSC SiC 功率模塊的壽命模型及其影響規(guī)律，還是一片空白。

針對(duì) DSC SiC 功率模塊可靠性不明、壽命模型缺失的問(wèn)題，本文詳細(xì)研究 DSC SiC 功率模塊的失效模式、老化規(guī)律和壽命模型。基于有限元分析方法，建立功率模塊的可靠性分析模型，并和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校核。基于焊料的疲勞老化模型，建立 DSC SiC 功率模塊的壽命模型，并分析不同封裝材料、封裝結(jié)構(gòu)對(duì)功率模塊壽命的影響規(guī)律。本文為 DSC SiC 模塊的可靠性研究，提供了新的思路，為 SiC功率模塊的設(shè)計(jì)研發(fā)，提供了新的方法，為 SiC 功率變換器的壽命評(píng)估，提供了基礎(chǔ)模型。

1 SSC 和 DSC 功率模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和失效模式

1.1 DSC功率模塊

如圖 1(a)所示，傳統(tǒng) SSC 封裝的功率模塊為典型的異質(zhì)集成結(jié)構(gòu)，芯片底面焊接到直接覆銅板(Direct bonding copper, DBC)的上銅層，芯片頂面與上銅層的電氣互連依靠鍵合線完成。芯片產(chǎn)生的熱量通過(guò)多層結(jié)構(gòu)傳遞到散熱器，然后耗散到環(huán)境中。

如圖1(b)所示，DSC封裝的功率模塊由2層DBC、墊高、3 層焊料和芯片組成。相對(duì)于 SSC 功率模塊，DSC 功率模塊增加了頂面散熱通道，極大地降低功率模塊的結(jié)-殼熱阻。芯片功率損耗產(chǎn)生的熱量，同時(shí)通過(guò)頂部和底部的多層結(jié)構(gòu)，進(jìn)入散熱器，最終耗散到環(huán)境中，提高散熱效率。圖 2 進(jìn)一步給出了650V 電壓等級(jí) DSC 和 SSC 功率模塊的熱阻對(duì)比。功率模塊的熱阻隨著額定電流的增加，指數(shù)下降。DSC功率模塊的熱阻比SSC功率模塊減小18%以上。

此外，DSC 功率模塊采用頂面的 DBC 代替鍵合線互連，通過(guò)優(yōu)化封裝設(shè)計(jì)，可以有效降低功率模塊的寄生參數(shù)。

經(jīng)過(guò)上述對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn) DSC 功率模塊在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)：沒(méi)有流過(guò)功率回路的鍵合線；增加了芯片上表面的多層結(jié)構(gòu)(即墊片、焊料、DBC)；芯片有 3 層焊料。DSC 功率模塊在結(jié)構(gòu)上的差異，會(huì)給可靠性分析帶來(lái)較大的差異。

1.2 SSC和DSC 功率模塊的失效模式

功率模塊的疲勞失效直接決定于封裝結(jié)構(gòu)和封裝工藝。在功率模塊內(nèi)，硅-銅-陶瓷異質(zhì)層的熱膨脹系數(shù)(Thermal expansion coefficient, CTE)和楊氏模量不匹配，在功率循環(huán)和溫度循環(huán)下，形成功率模塊內(nèi)的熱-機(jī)械應(yīng)力，在異質(zhì)層的界面處形成疲勞失效。

如圖 3 所示，SSC 功率模塊的失效模式主要表現(xiàn)為鍵合線失效、焊料層失效等。由于 DSC功率模塊不存在鍵合線，其失效模式主要為焊料層失效。然而，DSC 功率模塊的失效機(jī)理和失效模式還不明晰。尤其是，相對(duì)于 SSC 功率模塊的單層焊料，DSC 功率模塊存在三層焊料，其焊層的薄弱環(huán)節(jié)、失效的先后順序等，都有待進(jìn)一步深入研究。

DSC 功率模塊仍然采用異質(zhì)集成結(jié)構(gòu)，可以視為兩個(gè) SSC 功率模塊的疊加。因此，可以借鑒 SSC功率模塊的失效機(jī)理和壽命模型，分析 DSC 功率模塊的失效機(jī)理，建立其壽命模型。

功率模塊的設(shè)計(jì)壽命通常為 10 年，為了暴露功率模塊的失效模式，可以采用功率循環(huán)等加速老化實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)試表征功率模塊的壽命。雖然功率循環(huán)測(cè)試是商業(yè)化功率模塊的必需環(huán)節(jié)，但是功率循環(huán)測(cè)試周期長(zhǎng)、代價(jià)高，不適用于功率模塊概念設(shè)計(jì)階段。如何快速評(píng)估模塊的預(yù)期壽命，掌握封裝結(jié)構(gòu)和封裝材料對(duì)模塊壽命的影響規(guī)律，亟待技術(shù)突破。

為了適應(yīng)概念設(shè)計(jì)階段的技術(shù)需求，快速、準(zhǔn)確地掌握功率模塊的預(yù)期壽命，可以采用多物理場(chǎng)設(shè)計(jì)方法，結(jié)合有限元(Finite element analysis, FEA)模型及其校正技術(shù)，建立功率模塊的在線壽命評(píng)估模型。然后，采用該模型，預(yù)測(cè)和評(píng)估不同封裝結(jié)構(gòu)和封裝材料對(duì)功率模塊壽命的影響規(guī)律，快速評(píng)估封裝設(shè)計(jì)的可靠性水平，優(yōu)化封裝設(shè)計(jì)的技術(shù)路線。

2 SSC 功率模塊壽命的有限元建模及驗(yàn)證

2.1 SSC 功率模塊的有限元模型

建立功率模塊的壽命模型需要大量的數(shù)值計(jì)算，在保證精度的前提下，降低模型維度，簡(jiǎn)化模型難度，有利于提升計(jì)算效率。以焊層疲勞的失效模式為研究對(duì)象，以功率模塊的壽命評(píng)估為目標(biāo)，在 COMSOL 多物理場(chǎng)仿真軟件中，建立 SSC 功率模塊的有限元模型。如圖 4 所示，多物理場(chǎng)分析理論表明，二維有限元模型在保證 95%計(jì)算精度的前提下，可以提高 10 倍以上的計(jì)算速度。因此，為了提高模型的可重復(fù)性，在保證足夠計(jì)算精度的前提下，將 SSC 功率模塊的三維物理模型，降維為二維有限元模型。

以典型的SSC Si 半橋功率模塊SKM50GB123D為例 ， 采 用 50A/1200V 的 Si IGBT 芯片SIGC41T120R3E，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。在功率模塊內(nèi)部，芯片之間距離較遠(yuǎn)，芯片之間的熱耦合效應(yīng)可以忽略不計(jì)。因此，可以抽取其中的單芯片基本封裝單元，作為研究對(duì)象，各層的結(jié)構(gòu)尺寸和材料屬性如表 1 所示。在此基礎(chǔ)上，借助幾何對(duì)稱(chēng)性，可以將 SSC 功率模塊的三維模型轉(zhuǎn)換為二維模型。

在二維有限元模型的基礎(chǔ)上，需要配置材料的本構(gòu)模型。從材料力學(xué)的角度來(lái)看，根據(jù)材料的工作溫度和熔點(diǎn)，功率模塊的封裝材料主要分為線彈性材料和粘塑性材料。

半導(dǎo)體、銅和陶瓷材料的工作溫度遠(yuǎn)低于其熔點(diǎn)，可以視為線彈性材料。線彈性材料的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律滿足胡克定律：

其中，σ 和 ε 分別為材料的應(yīng)力和應(yīng)變，E 為材料楊氏模量。

然而，焊料的工作溫度約為其熔點(diǎn)的一半，應(yīng)視為粘塑性材料。焊料內(nèi)部的蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象非常明顯，應(yīng)力和應(yīng)變均為工作溫度和持續(xù)時(shí)間的函數(shù)。粘塑性材料的塑性應(yīng)變和蠕變規(guī)律，可以采用材料的本構(gòu)方程來(lái)表征。對(duì)于常用的Anand模型，等效應(yīng)力 σ 與形變阻抗 s 成正比，即

可見(jiàn)，材料的 Anand 本構(gòu)模型包含 9 個(gè)變量，對(duì)于 SAC305 焊料，其模型參數(shù)如表 2 所示。

基于圖5 所示的對(duì)稱(chēng)二維模型，邊界條件設(shè)置如圖 6 所示。此外，功率芯片設(shè)置為特定體積功率密度的熱源，DBC 的底面設(shè)置為輥支撐，且散熱條件設(shè)置為強(qiáng)迫水冷。模型的左邊界設(shè)為對(duì)稱(chēng)邊界，以減小內(nèi)存；模型的其余邊界均設(shè)置為絕熱，且自由移動(dòng)。

在有限元分析模型中，采用物理壽命模型，評(píng)估功率模塊的壽命。在功率芯片上施加方波的功率密度，模擬功率模塊的功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)。改變方波的幅值和換熱邊界的環(huán)境溫度，可以得到功率模塊在不同結(jié)溫循環(huán)下的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律。結(jié)合Anand模型，可以得到焊料的塑性應(yīng)變和蠕變。為了獲得焊料層應(yīng)變和壽命之間的映射，可以采用 Morrow 模型

其中，N sf 為焊料層失效前的功率循環(huán)周次，ΔWsc 為一次功率循環(huán)所累計(jì)的蠕變能量，Wsf 和ms分別為材料的疲勞能量系數(shù)和疲勞能量指數(shù)。對(duì)于 SAC305 焊料合金，模型的取值為Wsf = 55×10 6 J/m3 、ms = –0.69。

在實(shí)際中，基于應(yīng)變的 Morrow 模型難于量測(cè)。因此，通常所說(shuō)的壽命模型是指和結(jié)溫波動(dòng)相關(guān)的壽命特性。焊層的疲勞老化，引起熱阻的增加，進(jìn)而導(dǎo)致功率模塊失效。根據(jù)焊層失效模型，基于Coffin-Manson 模型，可以得到功率模塊的壽命模型

其中，Nf 為功率模塊的壽命，為功率循環(huán)結(jié)溫，c1和 c2 分別為功率循環(huán)壽命系數(shù)。此外，考慮功率循環(huán)過(guò)程中平均結(jié)溫的影響，可以采用 Coffin-Manson-Arrhenius 模型來(lái)描述功率模塊的壽命，即

其中，a和n為與初始?jí)勖徒Y(jié)溫波動(dòng)相關(guān)的常數(shù)，Ea 為激活能，k = 8.62×10 –5 eV/K 為玻爾茲曼常數(shù)，Tjm 為平均結(jié)溫。

2.2 功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)及有限元模型的驗(yàn)證

典型功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)的電路原理如圖 7 所示，控制開(kāi)關(guān)采用功率模塊 SKM75GB123D，為了提高測(cè)試速度和增強(qiáng)對(duì)比參照，將 22 個(gè)被測(cè)功率模塊串聯(lián)測(cè)試 [31] 。功率模塊的失效判據(jù)定為 20%的結(jié)殼熱阻增加。在有限元模型中采用了芯片和封裝一致性，因而可以利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

當(dāng)平均結(jié)溫Tjm 為90℃時(shí)，設(shè)置ΔTj 分別為90℃和 120℃，測(cè)試功率模塊的功率循環(huán)壽命，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 8 所示。可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與式(9)所示的理論模型吻合較好，辨識(shí)得到的功率模塊壽命模型參數(shù)為 c1= 5.2×10(12)、c2= 4.2。此外，不同溫度下的有限元仿真結(jié)果也與理論的壽命模型相差不大，相對(duì)誤差小于 6%。

3 DSC 功率模塊的應(yīng)力和壽命分布規(guī)律

3.1 DSC 功率模塊的有限元模型

基于 SSC 功率模塊的有限元模型，采用實(shí)驗(yàn)結(jié)果校驗(yàn)了該模型對(duì) SSC 功率模塊壽命預(yù)測(cè)的可行性。這里進(jìn)一步探索 DSC 功率模塊的有限元模型，以分析 DSC 功率模塊的壽命模型及其影響規(guī)律。

在 DSC 功率模塊的有限元模型中，采用相同尺寸的 IGBT 芯片，進(jìn)行對(duì)比分析，如圖9 所示。芯片底面的封裝材料和封裝尺寸與 SSC 功率模塊完全相同。芯片頂面采用與底面相同的DBC，并在芯片和DBC之間引入了鉬片墊高層，其結(jié)構(gòu)尺寸為 6.0mm×5.7mm×2.5mm，其材料的熱膨脹系數(shù)為4.8×10–6 /K、楊氏模量為329GPa 、熱導(dǎo)率為139W/(m·K)。鉬片與芯片的連接，仍采用 0.12mm厚的 SAC305 焊料。

3.2 DSC 功率模塊的失效判據(jù)

為了評(píng)估功率模塊的壽命，需要確定模塊的失效判據(jù)。對(duì)于 SSC 功率模塊的失效判據(jù)，相對(duì)比較成熟。然而，DSC 功率模塊的失效判據(jù)還處于探索階段。這里，基于 SSC 功率模塊的失效判據(jù)，探索DSC 功率模塊的失效判據(jù)。

在功率循環(huán)中，非彈性應(yīng)變能容易在邊角聚集，因而，焊料層邊角處首先開(kāi)裂失效，導(dǎo)致熱阻增加，最終導(dǎo)致功率模塊失效。對(duì)于 SSC 功率模塊，其失效判斷標(biāo)準(zhǔn)通常選為熱阻增加 20%。但是，該失效判據(jù)并未指明所對(duì)應(yīng)的焊層失效比例。對(duì)于 DSC 功率模塊，其存在三層焊料，各層焊料失效的先后順序，以及對(duì)模塊結(jié)殼熱阻的影響，都還有待深入研究。

基于圖 9 所示有限元模型，在結(jié)溫波動(dòng)為 ΔTj =120℃的功率循環(huán)測(cè)試條件下，圖 10 給出了 DSC Si功率模塊的多物理場(chǎng)分析結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，鉬片上層焊料、芯片頂層焊料失效約 5%之后，便不再明顯退化，DSC 功率模塊的焊層失效仍然以芯片底層焊料的失效為主。由于場(chǎng)限環(huán)的限制，芯片頂面的有效散熱通道減小，且焊料層數(shù)更多，并含有墊高層，都會(huì)增加頂面封裝結(jié)構(gòu)的厚度和熱阻。因此，芯片的損耗主要通過(guò)底面耗散到環(huán)境中，芯片底面的熱通量更大，且溫度梯度更高，壽命更短，是DSC 功率模塊的薄弱環(huán)節(jié).

基于圖 9 所示有限元模型，圖 11 進(jìn)一步給出了各層焊料失效比例對(duì) DSC 功率模塊結(jié)殼熱阻的影響規(guī)律。可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于 SSC 功率模塊，當(dāng)焊料層失效 9%左右，模塊的結(jié)殼熱阻增加 20%，即達(dá)到SSC功率模塊的失效判據(jù)。對(duì)于DSC功率模塊，各層焊料失效比例對(duì)結(jié)殼熱阻的影響規(guī)律，與 SSC功率模塊基本一致。因此，可以沿用結(jié)殼熱阻增加20%作為 DSC 功率模塊的失效判據(jù)。此外，結(jié)殼熱阻對(duì)芯片底面焊料的失效最為敏感，當(dāng)?shù)讓雍噶鲜?8%時(shí)，可以判定 DSC 功率模塊失效。

3.3 DSC 功率模塊的應(yīng)力分布規(guī)律

功率模塊的應(yīng)力計(jì)算本質(zhì)是對(duì)多層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，忽略了連接層厚度，進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，求解微分方程組，得到異質(zhì)層交界面的應(yīng)力分布規(guī)律

其中，τ 為連接面的剪應(yīng)力，常數(shù) k 和 λ 為與材料的楊氏模量、厚度等相關(guān)的系數(shù)，α 為材料的熱膨脹系數(shù)，x 為到對(duì)稱(chēng)中心的距離。由式(11)可知，越靠近芯片邊緣，應(yīng)力越大；材料的熱膨脹系數(shù)相差越多，應(yīng)力越大。相對(duì)于有限元方法，數(shù)學(xué)解析模型能得到一定的規(guī)律，并做出一定的物理解釋?zhuān)悄Ｐ图僭O(shè)過(guò)于理想，準(zhǔn)確性較差。此外，為了分析功率模塊的蠕變耗散能，評(píng)估功率模塊的壽命，有限元分析方法更為方便。因此，本文采用有限元模型來(lái)分析功率模塊的熱-力行為。

焊料層邊角處是裂紋萌芽地帶，此處的應(yīng)力和非彈性應(yīng)變也較為集中。因此，分析焊料層邊角處的應(yīng)力應(yīng)變聚集情況，能夠較好地揭示焊料層的失效機(jī)理。針對(duì) SSC Si 和 DSC Si 功率模塊，圖 12對(duì)比了焊料層的蠕變耗散能分布情況。可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于 DSC Si 功率模塊，焊料層邊角處的應(yīng)變聚集區(qū)域更小，有利于減緩裂紋的萌發(fā)，提升其功率循環(huán)壽命。

在功率循環(huán)過(guò)程中，SSC 和 DSC 功率模塊受到的應(yīng)力應(yīng)變和蠕變行為有著明顯的差異。以循環(huán)溫度ΔTj = 120℃時(shí)為例，焊料層的應(yīng)力和蠕變特性，如圖 13。相對(duì)于 SSC 功率模塊，DSC 功率模塊的芯片頂面結(jié)構(gòu)兼具耗散功率和平衡應(yīng)力的作用，減小芯片焊料層的 5%應(yīng)力、15%蠕變應(yīng)變率和 20%蠕變能密度。根據(jù)式(8)，單次功率循環(huán)所積累的蠕變能量決定是焊料層的疲勞壽命，進(jìn)而影響功率模塊的功率循環(huán)壽命。可見(jiàn)，相對(duì)于 SSC 功率模塊，DSC 功率模塊能夠明顯降低焊料層的應(yīng)力應(yīng)變，顯著提升其功率循環(huán)壽命。

最終，通過(guò)有限元分析得到的循環(huán)壽命分布如圖 14，與圖 12 和圖 13 所示的應(yīng)力分析結(jié)果基本一致。模塊從焊料層邊角處開(kāi)始失效，其中 DSC 模塊的失效以芯片底部的焊料層失效為主。頂部?jī)蓪雍噶显谶吔鞘Ш螅驗(yàn)殂f墊片的原因，向內(nèi)發(fā)展得很慢。因此，雙面散熱模塊對(duì)器件壽命的提升具有顯著的效果。

4 DSC SiC 功率模塊的壽命模型及影響規(guī)律

4.1 DSC SiC 功率模塊的應(yīng)力行為分析

前述分析表明，采用 DSC 封裝，可以降低 Si功率模塊的熱應(yīng)力，提升 Si 功率模塊的壽命。這里進(jìn)一步深入分析 DSC 對(duì) SiC 功率模塊的壽命影響規(guī)律。

如表 1 所示，由于材料的性能差異，相對(duì)于 Si芯片，SiC 芯片的楊氏模量更大、面積更小，在 DSC功率模塊的模型中，鉬片的大小調(diào)整為3mm×2.9mm，其余參數(shù)不變。

SSC SiC 功率模塊的應(yīng)力應(yīng)變更加集中，約是SSC Si 功率模塊的 1.5 倍。但是，采用 DSC 封裝結(jié)構(gòu)，能夠減小 SiC 功率模塊的應(yīng)力，大幅提升其壽命。SSC SiC 和 DSC SiC 功率模塊的應(yīng)力和蠕變特性，如圖 15。類(lèi)似于 Si 功率模塊，相對(duì)于 SSC封裝，DSC 封裝能顯著降低 von Mises 力、蠕變應(yīng)變率和蠕變能密度，提升 SiC 功率模塊的壽命。對(duì)比圖 13 和圖 15 可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于相同的封裝技術(shù)，SiC 功率模塊的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)匀淮笥?Si 功率模塊。因此，相同封裝條件下，SiC 功率模塊的焊料層壽命少于 Si 功率模塊，如圖 16 所示。與 Si 功率模塊類(lèi)似，相對(duì)于 SSC 封裝，DSC 封裝能顯著提升 SiC功率模塊的壽命。

4.2 DSC SiC 功率模塊的壽命模型

基于前述有限元模型和分析方法，針對(duì) Tjm = 90℃時(shí)的有限元分析結(jié)果。不同 ΔTj 時(shí)，DSC SiC 功率模塊的功率循環(huán)壽命，如圖17所示。采用式(9)所示的Coffin-Manson 模型，可以得到DSC SiC功率模塊的壽命模型。模型參數(shù)的擬合結(jié)果為：c1=2.65×10(9) 、c2 = 2.43。

進(jìn)一步考慮 Tjm 的影響，基于式(10)所示的Coffin-Manson-Arrhenius 模型，圖 18 給出了 DSCSiC 功率模塊的壽命分布規(guī)律。當(dāng) ΔTj 相同時(shí)，Tjm越大，功率模塊的壽命越短；當(dāng) Tjm 相同時(shí)，ΔTj越大，功率模塊的壽命也越短。此外，有限元分析的結(jié)果與式(10)所示模型的預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致。辨識(shí)得到的模型參數(shù)為：a =56.39，n =2.57，Ea =0.57eV。

對(duì)于 Si 和 SiC 器件，采用 SSC 和 DSC 封裝，當(dāng) Tjm = 90℃時(shí)，功率模塊的壽命分布規(guī)律如圖 19所示。不難發(fā)現(xiàn)，SSC SiC 功率模塊的壽命約為 SSCSi 功率模塊壽命的 30%。隨著 ΔTj 增加，二者壽命的差異減小。此外，DSC SiC 功率模塊的壽命是約為 SSC SiC 功率模塊壽命的 2 倍。值得指出的是，相對(duì)于 SSC Si 功率模塊，當(dāng) ΔTj 較低時(shí)，DSC SiC功率模塊的壽命提升效果并不明顯。但是，當(dāng) ΔTj較高時(shí)，DSC SiC 功率模塊的壽命遠(yuǎn)大于 SSC Si功率模塊的壽命。從壽命指標(biāo)的角度來(lái)看，DSC Si功率模塊具有最佳的性能。但是，考慮到高溫、高頻、低損的優(yōu)異性能，DSC SiC 功率模塊在高功率密度車(chē)用電機(jī)控制器的應(yīng)用，具有廣泛的應(yīng)用前景。可以預(yù)見(jiàn)，在更大的 ΔTj 情況下，DSC SiC 功率模塊的優(yōu)勢(shì)會(huì)更加明顯。

4.3 封裝材料對(duì)DSC SiC 功率模塊壽命的影響

建立功率模塊的壽命模型，可以為功率模塊的概念定型和優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供基礎(chǔ)理論指導(dǎo)和關(guān)鍵技術(shù)支撐。

先進(jìn)的封裝材料有利于降低封裝熱阻，緩解焊層應(yīng)力，提高功率模塊的壽命。計(jì)及 DBC 陶瓷材料和墊高材料的影響，本節(jié)深入分析封裝材料對(duì)DSC SiC 功率模塊壽命的影響規(guī)律，材料的基本屬性如表 3 所示。

基于前述有限元模型和分析方法，不同 DBC陶瓷層材料對(duì) DSC SiC 功率模塊壽命的影響，如圖20 所示。

相同ΔTj 條件下，Si3N4功率模塊的可靠性最高，AlN 次之，Al2O3 最差。如表 3 所示，AlN 的熱膨脹系數(shù)大于 Si3N4 ，它與 SiC 芯片的熱失配更嚴(yán)重。然而，AlN 具有較高的熱導(dǎo)率，有助于降低結(jié)-殼熱阻。此外，AlN 的成本比 Si3N4 更低，應(yīng)用更為廣泛。由于 AlN 的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)大于 Si3N4和 Al2O3，在相同功率條件下，功率模塊的波動(dòng)更小，有利于提升功率模塊的壽命，如圖 21。也就是說(shuō)在相同工作條件下，AlN 的熱阻更小，結(jié)溫波動(dòng)更小，工作壽命將會(huì)是更加可觀。

相對(duì)于 SSC 封裝，DSC 封裝的墊片覆蓋芯片上表面，直接影響功率模塊的壽命。選用合適的墊片材料，可以緩沖應(yīng)力，增加 DSC 功率模塊的壽命。若墊片材料選為銅，DSC SiC 功率模塊內(nèi)的焊料層壽命分布，如圖 22 所示。對(duì)比圖 16 所示鉬墊片的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：采用銅墊片后，DSC SiC 功率模塊的焊料急劇失效，且墊片兩側(cè)焊料失效最快。雖然，相對(duì)于鉬墊片，雖然銅墊片能夠減小結(jié)-殼熱阻，但是其熱膨脹系數(shù)與 SiC 材料相差更大，熱應(yīng)力的失配效應(yīng)更明顯，導(dǎo)致焊層壽命顯著降低。此外，銅墊片的熱阻更小，芯片頂面的熱通量更大，溫度梯度更高，焊料層的溫差更大，進(jìn)一步加劇焊層失效。

在不同ΔTj 的功率循環(huán)條件下，不同封裝的SiC功率模塊的功率循環(huán)壽命，如圖 23 所示。隨著 ΔTj的增加，DSC SiC 功率模塊的減小，采用銅墊片后，功率模塊壽命約為鉬墊片的 1/4，其壽命甚至低于SSC SiC 功率模塊。墊片材料的熱膨脹系數(shù)，應(yīng)該接近于 SiC 材料，才能降低模塊的應(yīng)力，提升模塊的壽命。雖然，銅墊片能夠一定程度上減小 DSC SiC的結(jié)殼熱阻，但是其對(duì)功率模塊的壽命損耗，遠(yuǎn)不如結(jié)溫降低帶來(lái)的壽命提升。因此，對(duì)于 DSC SiC功率模塊，相對(duì)于銅墊片，雖然金屬鉬的熱導(dǎo)率稍低，但是鉬墊片仍然是更優(yōu)的選擇。

5 結(jié)論

DSC SiC 功率模塊的是未來(lái)功率模塊的重要發(fā)展方向，然而現(xiàn)在對(duì)它的可靠性分析和壽命模型欠缺。本文通過(guò)對(duì)功率模塊的簡(jiǎn)化降維，得到了一個(gè)能快速計(jì)算 DSC SiC 循環(huán)壽命的 2D 有限元模型，并且利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行間接驗(yàn)證。針對(duì)現(xiàn)階段DSC SiC 功率模塊可靠性測(cè)試數(shù)據(jù)缺乏的問(wèn)題，本文提出了利用現(xiàn)有的 Si 器件數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，為快速獲取 DSC SiC 功率模塊的壽命模型提供了一種新的思路。

本文通過(guò)現(xiàn)有的單面散熱功率模塊測(cè)試數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性，并同雙面散熱模塊對(duì)比，由此建立了針對(duì)雙面散熱模塊的壽命模型。最后，探究了襯板陶瓷材料、墊片材料對(duì)模塊壽命的影響，并給出了模塊優(yōu)化的建議。得到的結(jié)論如下：

1)對(duì)于 DSC 封裝功率模塊，若采用鉬作為墊高材料，芯片底部焊料層最先失效，且在失效過(guò)程中占主導(dǎo)地位。若采用銅作為墊高材料，以墊高層兩側(cè)焊料最先失效。

2)雙面散熱模塊的墊片建議采用鉬片，能有效地提升模塊的循環(huán)壽命。而采用銅墊片的 DSC 模塊僅為鉬的 1/4。

3)DBC 陶瓷材料建議采用 AlN 或 Si3N4，以有效降低功率模塊的熱阻，提升功率模塊的壽命。

4)采用相同封裝材料，DSC 封裝功率模塊的壽命是 SSC 封裝功率模塊的 2 倍，這種優(yōu)勢(shì)在結(jié)溫波動(dòng)較大的情況更為明顯。

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