IGBT模塊封裝中大面積基板連接的應力翹曲分析
發(fā)布時間：2021-09-30 19:58
模擬絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊中用燒結銀對直接覆銅（DBC）基板與銅底板進行大面積連接的過程,發(fā)現大面積基板連接會產生很大的翹曲與嚴重的殘余應力.增加銅底板厚度使其剛度增大,能有效改善基板連接的翹曲問題.基板連接的最大殘余應力產生于DBC上銅層與陶瓷層連接的角點處,隨DBC銅層厚度的增加而增加,隨陶瓷層厚度的增加而減小,與焊層厚度關系不大.其主要原因是各層材料厚度變化對結構整體熱膨脹系數的改變程度不同,而DBC銅層與陶瓷層之間熱失配程度最嚴重.結構厚度改變對連接層應力大小影響不大,但增加底板厚度會惡化連接層的應力分布,不利于模塊長期可靠性.采用DBC下沉法和反向預翹曲法可以在控制連接層殘余應力的條件下有效降低IGBT模塊因燒結引起的翹曲,不會降低模塊的可靠性.
【文章來源】：力學季刊. 2020,41(01)北大核心CSCD
【文章頁數】：10 頁
【部分圖文】：
DBC基板和焊膏層下沉后的模擬結果
對IGBT模塊的三維模型及各層材料介紹如圖2所示，根據模塊的對稱性，為了減少計算量而采用四分之一模型．即此時模型的長寬方向均為20 mm，厚度不變．模型中自上而下各層材料分別為：DBC上銅層、DBC氧化鋁層、DBC下銅層、銀焊膏層和銅底板層．網格劃分方式采用映射網格劃分，由于每層結構在長寬方向與厚度方向比值過大，除銅底板層外，在厚度方向將每層材料都劃分為三等分．約束條件設置為：底面中心全約束，xoz平面設置y方向約束，yoz平面設置x方向約束．模擬模塊從燒結溫度(280℃)冷卻至室溫(25℃)的過程，降溫條件設置為5℃/min.模型中各種材料在室溫下的熱力學特性參數如表1所示，假設材料的參數不隨溫度變化而變化．
然而，除了工作環(huán)境問題，IGBT模塊還存在結構問題．在IGBT模塊封裝的制造與工作過程中都會引起一定程度的翹曲和殘余應力，這是導致IGBT模塊失效的兩個重要因素．模塊內部的殘余應力會對模塊的運行壽命產生重大影響，而模塊的翹曲不僅會影響模塊內部的機械應力，還會影響模塊與外部的連接問題，如IGBT模塊底板與熱沉之間因翹曲的存在而不能完全貼合，系統(tǒng)的熱阻增大，散熱能力降低．在IGBT模塊封裝過程中，芯片與DBC基板和DBC基板與底板的低溫燒結過程是產生翹曲和殘余應力的兩個主要過程．設計良好的封裝結構可以改善模塊的翹曲和殘余應力情況．傳統(tǒng)IGBT芯片DBC底板連接的封裝結構如圖1所示．在封裝的過程中很多環(huán)節(jié)都會產生熱應力與翹曲，比如芯片與基板連接、基板與底板連接以及后續(xù)的底板與熱沉之間的連接．謝鑫鵬[9]分析了芯片粘貼焊層中空洞率、厚度和芯片功率等對封裝體溫度場和熱應力應變場的影響，并對芯片粘貼焊層進行了壽命預測及熱可靠性分析．連嬌愿[10]針對雙面冷卻封裝形式焊層殘余應力過大問題提出了在芯片與上下基板之間添加銀緩沖層，并采取階梯冷卻的方式，使焊層應力明顯降低，可靠性增加．Wu等[11]在溫度循環(huán)試驗中發(fā)現倒裝焊點陣列中壽命最短的焊點位于陣列的外角點．劉亞平和楊帆[12]則是通過建立均一化模型，為模擬計算底部充填封裝芯片的熱應力提出新方法．芯片連接由于面積較小(≈100 mm2)，封裝過程中產生的殘余應力和翹曲度比較�。疄闇p小殘余應力和翹曲度，可以采用優(yōu)化封裝工藝的方法，如管功湖和梁思平[13]設計了焊接前倒裝工藝，一次性將IGBT功率模塊焊接完成，有效降低了多次燒結引起的熱應力．而基板與底板之間由于連接面積更大(>500 mm2)，加工過程和工作過程中由于熱失配將導致連接部位的殘余應力更大、翹曲更嚴重．Lin等[14]提出襯底厚度方向的不對稱設計、周洋[15]通過反向預彎和改變基板厚度等方法都能改善IGBT模塊封裝翹曲．但以上方法均是以焊料為互連材料，目前還沒有針對銀焊膏進行改善IGBT模塊大面積連接翹曲和殘余應力的系統(tǒng)研究．
【參考文獻】：
期刊論文
[1]IGBT功率模塊的一次性焊接工藝研究[J]. 管功湖,梁思平. 臺州學院學報. 2018(06)
[2]基于細觀力學方法的底部充填封裝芯片接合層的熱應力計算[J]. 劉亞平,楊帆. 力學季刊. 2018(01)
[3]先進微電子封裝技術（FC、CSP、BGA）發(fā)展趨勢概述[J]. 楊建生,陳建軍. 集成電路應用. 2003(12)
[4]IGBT的發(fā)展現狀及應用[J]. 李恩玲,周如培. 半導體雜志. 1998(03)
博士論文
[1]納米銀焊膏無壓低溫燒結連接方法的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊封裝應用研究[D]. 付善燦.天津大學 2017
碩士論文
[1]新型雙面冷卻功率電子模塊封裝研究[D]. 連嬌愿.天津大學 2013
[2]納米銀焊膏低溫燒結在IGBT模塊制造中的應用[D]. 唐思熠.天津大學 2012
[3]功率器件封裝的可靠性研究[D]. 謝鑫鵬.華南理工大學 2010
[4]納米銀焊膏低溫燒結粘接可靠性研究[D]. 齊昆.天津大學 2007
本文編號：3416544
【文章來源】：力學季刊. 2020,41(01)北大核心CSCD
【文章頁數】：10 頁
【部分圖文】：
DBC基板和焊膏層下沉后的模擬結果
對IGBT模塊的三維模型及各層材料介紹如圖2所示，根據模塊的對稱性，為了減少計算量而采用四分之一模型．即此時模型的長寬方向均為20 mm，厚度不變．模型中自上而下各層材料分別為：DBC上銅層、DBC氧化鋁層、DBC下銅層、銀焊膏層和銅底板層．網格劃分方式采用映射網格劃分，由于每層結構在長寬方向與厚度方向比值過大，除銅底板層外，在厚度方向將每層材料都劃分為三等分．約束條件設置為：底面中心全約束，xoz平面設置y方向約束，yoz平面設置x方向約束．模擬模塊從燒結溫度(280℃)冷卻至室溫(25℃)的過程，降溫條件設置為5℃/min.模型中各種材料在室溫下的熱力學特性參數如表1所示，假設材料的參數不隨溫度變化而變化．
然而，除了工作環(huán)境問題，IGBT模塊還存在結構問題．在IGBT模塊封裝的制造與工作過程中都會引起一定程度的翹曲和殘余應力，這是導致IGBT模塊失效的兩個重要因素．模塊內部的殘余應力會對模塊的運行壽命產生重大影響，而模塊的翹曲不僅會影響模塊內部的機械應力，還會影響模塊與外部的連接問題，如IGBT模塊底板與熱沉之間因翹曲的存在而不能完全貼合，系統(tǒng)的熱阻增大，散熱能力降低．在IGBT模塊封裝過程中，芯片與DBC基板和DBC基板與底板的低溫燒結過程是產生翹曲和殘余應力的兩個主要過程．設計良好的封裝結構可以改善模塊的翹曲和殘余應力情況．傳統(tǒng)IGBT芯片DBC底板連接的封裝結構如圖1所示．在封裝的過程中很多環(huán)節(jié)都會產生熱應力與翹曲，比如芯片與基板連接、基板與底板連接以及后續(xù)的底板與熱沉之間的連接．謝鑫鵬[9]分析了芯片粘貼焊層中空洞率、厚度和芯片功率等對封裝體溫度場和熱應力應變場的影響，并對芯片粘貼焊層進行了壽命預測及熱可靠性分析．連嬌愿[10]針對雙面冷卻封裝形式焊層殘余應力過大問題提出了在芯片與上下基板之間添加銀緩沖層，并采取階梯冷卻的方式，使焊層應力明顯降低，可靠性增加．Wu等[11]在溫度循環(huán)試驗中發(fā)現倒裝焊點陣列中壽命最短的焊點位于陣列的外角點．劉亞平和楊帆[12]則是通過建立均一化模型，為模擬計算底部充填封裝芯片的熱應力提出新方法．芯片連接由于面積較小(≈100 mm2)，封裝過程中產生的殘余應力和翹曲度比較�。疄闇p小殘余應力和翹曲度，可以采用優(yōu)化封裝工藝的方法，如管功湖和梁思平[13]設計了焊接前倒裝工藝，一次性將IGBT功率模塊焊接完成，有效降低了多次燒結引起的熱應力．而基板與底板之間由于連接面積更大(>500 mm2)，加工過程和工作過程中由于熱失配將導致連接部位的殘余應力更大、翹曲更嚴重．Lin等[14]提出襯底厚度方向的不對稱設計、周洋[15]通過反向預彎和改變基板厚度等方法都能改善IGBT模塊封裝翹曲．但以上方法均是以焊料為互連材料，目前還沒有針對銀焊膏進行改善IGBT模塊大面積連接翹曲和殘余應力的系統(tǒng)研究．
【參考文獻】：
期刊論文
[1]IGBT功率模塊的一次性焊接工藝研究[J]. 管功湖,梁思平. 臺州學院學報. 2018(06)
[2]基于細觀力學方法的底部充填封裝芯片接合層的熱應力計算[J]. 劉亞平,楊帆. 力學季刊. 2018(01)
[3]先進微電子封裝技術（FC、CSP、BGA）發(fā)展趨勢概述[J]. 楊建生,陳建軍. 集成電路應用. 2003(12)
[4]IGBT的發(fā)展現狀及應用[J]. 李恩玲,周如培. 半導體雜志. 1998(03)
博士論文
[1]納米銀焊膏無壓低溫燒結連接方法的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊封裝應用研究[D]. 付善燦.天津大學 2017
碩士論文
[1]新型雙面冷卻功率電子模塊封裝研究[D]. 連嬌愿.天津大學 2013
[2]納米銀焊膏低溫燒結在IGBT模塊制造中的應用[D]. 唐思熠.天津大學 2012
[3]功率器件封裝的可靠性研究[D]. 謝鑫鵬.華南理工大學 2010
[4]納米銀焊膏低溫燒結粘接可靠性研究[D]. 齊昆.天津大學 2007
本文編號：3416544
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