模擬絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊中用燒結(jié)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(xiàn)大面積基板連接會產(chǎn)生很大的翹曲與嚴重的殘余應(yīng)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(yīng)力產(chǎn)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(guān)系不大.其主要原因是各層材料厚度變化對結(jié)構(gòu)整體熱膨脹系數(shù)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(jié)構(gòu)厚度改變對連接層應(yīng)力大小影響不大,但增加底板厚度會惡化連接層的應(yīng)力分布,不利于模塊長期可靠性.采用DBC下沉法和反向預(yù)翹曲法可以在控制連接層殘余應(yīng)力的條件下有效降低IGBT模塊因燒結(jié)引起的翹曲,不會降低模塊的可靠性. 

【文章來源】：力學(xué)季刊. 2020,41(01)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

DBC基板和焊膏層下沉后的模擬結(jié)果

對IGBT模塊的三維模型及各層材料介紹如圖2所示，根據(jù)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(wǎng)格劃分方式采用映射網(wǎng)格劃分，由于每層結(jié)構(gòu)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?qū)⒚繉硬牧隙紕澐譃槿确郑s束條件設(shè)置為：底面中心全約束，xoz平面設(shè)置y方向約束，yoz平面設(shè)置x方向約束．模擬模塊從燒結(jié)溫度(280℃)冷卻至室溫(25℃)的過程，降溫條件設(shè)置為5℃/min.模型中各種材料在室溫下的熱力學(xué)特性參數(shù)如表1所示，假設(shè)材料的參數(shù)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(jié)構(gòu)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(yīng)力，這是導(dǎo)致IGBT模塊失效的兩個重要因素．模塊內(nèi)部的殘余應(yīng)力會對模塊的運行壽命產(chǎn)生重大影響，而模塊的翹曲不僅會影響模塊內(nèi)部的機械應(yīng)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?zé)Y(jié)過程是產(chǎn)生翹曲和殘余應(yīng)力的兩個主要過程．設(shè)計良好的封裝結(jié)構(gòu)可以改善模塊的翹曲和殘余應(yīng)力情況．傳統(tǒng)IGBT芯片DBC底板連接的封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示．在封裝的過程中很多環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生熱應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變場的影響，并對芯片粘貼焊層進行了壽命預(yù)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(yīng)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(yīng)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(xiàn)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(yīng)力提出新方法．芯片連接由于面積較小(≈100 mm2)，封裝過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和翹曲度比較�。疄闇p小殘余應(yīng)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(shè)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(jié)引起的熱應(yīng)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(dǎo)致連接部位的殘余應(yīng)力更大、翹曲更嚴重．Lin等[14]提出襯底厚度方向的不對稱設(shè)計、周洋[15]通過反向預(yù)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(yīng)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(xué)院學(xué)報. 2018(06)
[2]基于細觀力學(xué)方法的底部充填封裝芯片接合層的熱應(yīng)力計算[J]. 劉亞平,楊帆.  力學(xué)季刊. 2018(01)
[3]先進微電子封裝技術(shù)（FC、CSP、BGA）發(fā)展趨勢概述[J]. 楊建生,陳建軍.  集成電路應(yīng)用. 2003(12)
[4]IGBT的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用[J]. 李恩玲,周如培.  半導(dǎo)體雜志. 1998(03)

博士論文
[1]納米銀焊膏無壓低溫?zé)Y(jié)連接方法的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊封裝應(yīng)用研究[D]. 付善燦.天津大學(xué) 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(xué) 2013
[2]納米銀焊膏低溫?zé)Y(jié)在IGBT模塊制造中的應(yīng)用[D]. 唐思熠.天津大學(xué) 2012
[3]功率器件封裝的可靠性研究[D]. 謝鑫鵬.華南理工大學(xué) 2010
[4]納米銀焊膏低溫?zé)Y(jié)粘接可靠性研究[D]. 齊昆.天津大學(xué) 2007



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