沈阳化工大学机械与动力工程学院的孙培奇、陈航，在2023年第5期《电气技术》上撰文，针对功率模块在振动环境下的可靠性问题，通过Solidworks软件建立功率模块的三维模型，利用有限元仿真软件对模型进行模态分析及谐响应分析，并在此基础上研究随机振动下不同基板材料及厚度、不同焊料层材料及厚度对基板焊料应力和芯片焊料应力的影响。 他们的研究结果表明，基板厚度从1.5mm增加到5mm时，基板焊料应力和芯片焊料应力呈下降趋势，不同材料基板对基板焊料应力和芯片焊料应力的影响程度从大到小依次为Cu基板、Al基板、AlSiC基板，不同陶瓷覆铜板（DBC）焊料对基板焊料应力的影响程度从大到小依次为Ag3.5Sn96.5、Sn63Pb37、SAC305，不同芯片焊料对芯片焊料应力的影响程度从大到小依次为Ag3.5Sn96.5、Sn63Pb37、SAC305。

　　进入21世纪以来，以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料，其优异的综合性能得到人们的高度重视。与第一代和第二代半导体材料相比，碳化硅具有以下优点：禁带宽度更宽、临界位移能力更高、稳定性能更好、损耗更低。

　　目前，许多发达国家和国际大型企业已经开始对第三代半导体功率模块进行从原材料到成品及应用的集成化、产业化项目研发，逐步形成了完整的产业链。第三代半导体功率模块在新能源汽车、轨道交通、航空航天、光伏、风电、军工等行业已经得到初步应用，且因其自身的优异性能，市场需求处于持续增长状态。目前，功率模块逐渐走向智能化，未来会向智能化、集成化方向进一步发展。

　　在汽车、飞机、航天、轨道交通等领域，众多电子产品难免遭受振动环境的影响。有文献对电力电子转换器的工业要求及可靠性做了统计调查，发现功率半导体器件是最脆弱的组件。据统计，由工作坏境引起的电子设备故障中，振动引起电子产品的失效率为27%。由此可见，振动是导致电子产品失效的关键因素之一，因此研究振动条件下功率模块的可靠性具有现实意义。

　　罗哲雄等提出一种适用于双面散热汽车IGBT模块的双界面散热结构热测试方法，研究结果表明该方法具有良好的重复性并值得推广。

　　Barbagallo C等通过数值程序预测焊料层的疲劳寿命，对功率模块进行热循环仿真，最后判断焊料层的失效循环次数，结果表明即使在最恶劣的环境下，热水平也低于结构材料的潜在临界值。

　　Chen Yajuan等对IGBT模块进行热特性和结构力学仿真，得到温度、热应力和形变的分布情况，结果显示无外部散热装置时，装置的温升效应明显，局部存在应力集中现象，最大应力已超过材料的屈服强度极限。

　　Samavatian V等研究不同加载方向对功率模块焊点疲劳寿命的影响，分析显示振动加载过程中遭受的最大剥离应力在焊点拐角处，随着加载角度的减小，焊料中剥离应力的聚集程度增加。

　　Kato F等提出瞬态热分析方法，克服了传统稳态热流测量方法无法测量SiC芯片附近局部热阻和热容的缺点。

　　综上所述，大部分研究者从热学角度研究功率模块可靠性的问题。但是，关于振动对功率模块影响的研究较少。本文以模态分析和谐响应分析作为切入点，在此基础上对功率模块进行振动响应分析，研究随机振动条件下不同材料基板及厚度、不同材料焊料层及厚度对基板和焊料层焊料应力的影响。

　　功率模块包括键合线、端子、基板、焊接层、芯片等多个构件，对整个功率模块建立模型不仅复杂，而且计算时间较长。由于本文主要研究对象为基板与焊料层，所以对模型进行适当简化。在Solidworks中建立功率模块简化三维模型如图1所示，由下至上分别为基板、陶瓷覆铜板（directed bonding copper, DBC）、DBC焊接层、DBC下铜层、陶瓷板、DBC上铜层、芯片焊接层及芯片，与之对应的材料参数见表1，将模型导入Ansys Workbench软件进行后期仿线 功率模块简化三维模型

　　模态分析不仅可以计算系统的固有频率、优化结构的动态特性，还可以为系统的故障诊断检测、动态分析优化提供依据，并以此为基础为后续谐响应分析和随机振动分析提供参考。目前，模态分析已成为解决振动问题的关键步骤。利用有限元仿真软件对功率模块进行模态分析，仿真得到功率模块前六阶模态的固有频率见表2。

　　谐响应分析可以研究结构在不同持续频率的周期载荷作用下的动力响应，确定系统在特定载荷下激励的固有频率和脆弱部位，也可以得到整个结构的振动响应，判断是否有共振现象发生。系统受到的外界激励频率与系统固有频率一致或接近时会产生共振现象，共振现象会给功率模块带来无法预料的损害。本文选择模态叠加法进行谐响应分析。

　　模块的一阶固有频率和六阶固有频率分别为964.4Hz和6 096.1Hz，所以在谐响应分析时将频率范围设置为0～6 000Hz，分析间隔为60Hz。本文主要研究对象为焊料层，所以对模块焊料层进行仿真分析，得到DBC焊料层在X、Y、Z三个方向下的应力、位移振幅响应曲线 DBC焊料层三个方向下的应力振幅响应曲线 DBC焊料层X、Y方向下的位移振幅响应曲线 DBC焊料层Z方向下的位移振幅响应曲线可以看出，在X、Y、Z三个方向施加激励时，应力峰值出现在1 000Hz和5 000Hz左右，与模态分析第一阶固有频率和第五阶固有频率近似。在X和Z方向施加激励时，应力最大值出现在第一阶固有频率处，焊料层此时承受最大应力。在Y方向施加激励时，应力最大值出现在第五阶固有频率处，焊料层此时承受最大应力。综上所述，施加激励的方向对焊料层承受应力的大小有重要影响，而且在X和Y方向，焊料层承受的应力明显大于Z方向，焊料层在X和Y方向参与的振动程度远大于Z方向。

　　通过图3和图4可以看出，焊料层在X、Y、Z三个方向的位移幅值都在第一阶固有频率和第五阶固有频率处出现峰值，其中X方向在3000Hz左右也有峰值，Y方向在2000Hz左右也有峰值。焊料层在Y和Z方向的位移幅值最大值出现在第一阶固有频率处，X方向的位移幅值最大值出现在第五阶固有频率处。但是，Z方向的位移幅值远大于X和Y方向的位移幅值。

　　由上述分析结果可以发现，焊料层不同方向的应力、位移幅值峰值均出现在第一阶固有频率和第五阶固有频率处。位移幅值峰值及最大值主要发生在第一阶固有频率处，可以认为模块在第一阶固有频率处发生了共振现象。为了提升模块的可靠性，在振动环境中，功率模块应避免遭受一阶固有频率处的振动载荷；同时，在设计功率模块各结构时，可以进行适当优化，以提高功率模块的可靠性和稳定性。

　　在模态分析及谐响应分析的基础上，对功率模块进行随机振动分析。本次实验功率谱密度（power spectral density, PSD）采用GB/T 28406.3—2011标准，随机振动功率谱密度见表3，为保持功率模块在实际振动条件下的一致性，对模块的四个孔施加固定约束，分析模块结构的应力情况。焊料层和键合线属于功率模块中最脆弱的部分，而键合线的失效大部分由焊料层引起。因此，这里主要研究焊料层的焊接应力，通过改变基板的厚度和材料、焊料层的厚度和材料来分析基板焊料应力和芯片焊料应力的变化。

　　图5 基板焊料应力与基板材料及厚度的关系曲线可以看出，Cu基板和Al基板厚度从0.5mm增加到1.5mm时、AlSiC（铝碳化硅）基板厚度从0.5mm增加到1mm时，焊料应力呈上升趋势，但在实际应用中基板的厚度一般不会小于1.5mm。三种材料的基板厚度从1.5mm增加到5mm时，基板焊料应力呈下降趋势，并且下降趋势逐渐减缓。

　　芯片焊料应力与基板材料及厚度的关系曲线所示，当基板的材料及厚度变化时，芯片焊料应力变化趋势与基板焊料应力变化趋势大致相同，但基板焊料应力明显大于芯片焊料应力，不同材料基板对基板焊料应力和芯片焊料应力的影响关系一致。影响程度从大到小依次为Cu基板、Al基板、AlSiC基板。因此，在设计功率模块结构时，应综合考虑材料、成本、工艺等因素，选择合适的基板厚度。

　　目前，功率模块中焊料层材料有SAC305（96.5Sn3.0Ag0.5Cu）、Ag3.5Sn96.5、Sn63Pb37等。SAC305焊料润湿速度性能好，可焊性能优越；Ag3.5Sn96.5力学性能好，抗蠕变、疲劳性能强；Sn63Pb37因成本低、焊接时间短受到人们的广泛关注。本文选取这三种材料来研究焊料层材料及厚度对基板焊料应力和芯片焊料应力的影响。

　　基板焊料应力和芯片焊料应力与DBC焊料层和芯片焊料层材料及厚度的关系分别如图7～图10所示，焊料层的材料参数见表5。

　　从图7和图8可以看到，随着DBC焊料层厚度的增加，基板焊料应力和芯片焊料应力呈下降趋。