發(fā)布時(shí)間：2019-07-23 15:07

【摘要】：絕緣柵雙極晶體管(IGBT)現(xiàn)已成為功率半導(dǎo)體器件主流,是實(shí)現(xiàn)電能變換和控制的技術(shù)關(guān)鍵,其廣泛應(yīng)用離不開可靠的封裝。IGBT功率模塊封裝涉及熱學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、材料等多學(xué)科交叉,其可靠性研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)對功率模塊失效理論發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)化意義重大。迫切需要深入研究IGBT功率模塊的失效機(jī)理,分析封裝材料、工藝、結(jié)構(gòu)等因素對模塊可靠性的影響。本論文圍繞IGBT功率模塊封裝可靠性相關(guān)問題,對影響IGBT模塊可靠性的幾個(gè)因素(絕緣基板、焊料層、散熱)開展可靠性試驗(yàn)研究和分析,并在此基礎(chǔ)上以提高可靠性為目的提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。首先,通過熱循環(huán)試驗(yàn)及失效分析闡明直接敷銅(DBC)基板的失效模式,理論分析DBC基板的失效機(jī)理,建立基于應(yīng)力強(qiáng)度因子及最大切向應(yīng)力理論的DBC基板界面裂紋曲折破壞準(zhǔn)則。分別通過解析方法及數(shù)值方法計(jì)算DBC基板熱應(yīng)力強(qiáng)度因子,應(yīng)用所建立的破壞準(zhǔn)則分析裂紋從銅-陶瓷界面奇點(diǎn)萌生后向陶瓷內(nèi)部擴(kuò)展的過程。試驗(yàn)、理論分析及有限元仿真三者得出的結(jié)論相吻合,證實(shí)所建立的界面裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則的合理性。其次,提出一種采用梯度銅層結(jié)構(gòu)的DBC基板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,采用等效電容法測得的熱循環(huán)壽命統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)能夠有效提高DBC基板可靠性；建立梯度銅層DBC基板的熱機(jī)械耦合仿真模型,采用修正的超低周疲勞壽命預(yù)測模型對該基板進(jìn)行熱循環(huán)壽命預(yù)測,預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符：通過基于有限元仿真的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法分析基板結(jié)構(gòu)參數(shù)對基板應(yīng)力分布及熱循環(huán)壽命的影響,優(yōu)化梯度銅層DBC基板的結(jié)構(gòu)參數(shù)。再次,通過IGBT功率模塊大面積焊接試樣熱循環(huán)試驗(yàn)和失效分析,闡明焊料熱疲勞失效模式：建立焊接試樣熱機(jī)械耦合模型分析熱循環(huán)過程中焊料的應(yīng)力應(yīng)變情況：采用基于應(yīng)變及基于能量的壽命預(yù)測模型預(yù)測焊料疲勞壽命,預(yù)測結(jié)果均與試驗(yàn)相符。通過超聲掃描顯微鏡觀察焊料層空洞在熱循環(huán)過程中的演化,采用有限元熱分析建立芯片結(jié)溫與空洞率或空洞分布的函數(shù)關(guān)系。建立回流焊接工藝動(dòng)態(tài)熱機(jī)械耦合仿真模型,通過基于有限元仿真的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),分析焊接結(jié)構(gòu)多個(gè)參數(shù)對模塊應(yīng)力分布及翹曲的影響,從而優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu),提高功率模塊可靠性。最后,應(yīng)用微通道技術(shù)實(shí)現(xiàn)大功率IGBT模塊主動(dòng)散熱,建立計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型和熱機(jī)械耦合仿真模型,分析底板預(yù)置微通道的IGBT功率模塊的熱機(jī)械性能,包括模塊工作狀態(tài)下的溫度分布、回流工藝后的殘余應(yīng)力和翹曲、工作狀態(tài)下的應(yīng)力和翹曲；仿真所得翹曲結(jié)果與三坐標(biāo)儀測量結(jié)果一致。底板預(yù)置微通道的IGBT模塊工作狀態(tài)下翹曲幾乎為零。通過有限元參數(shù)化分析求得銅底板和焊料層的厚度對硅芯片應(yīng)力的影響,對模塊進(jìn)行優(yōu)化以降低芯片應(yīng)力,提高模塊可靠性。
【圖文】：

（ｂ）邋ＩＧＢＴ模塊截面示意圖逡逑困１．２邋ＩＧＢＴ功率模塊封裝結(jié)構(gòu)逡逑ＩＧＢＴ功率模塊典型的封裝工藝流程如圖１．３所示。首先根據(jù)電路巧撲的設(shè)計(jì)，逡逑在直接敷銅（Ｄｉｒｅｃｔ邋Ｂｏｎｄｅｄ邋Ｃｏｐｐｅｒ，ＤＢＣ）基板上銅層及底板上表面通過絲網(wǎng)印刷逡逑工藝印刷一定巧度的焊奇，將芯片和ＤＢＣ基板分別貼裝在對應(yīng)位置上，通過真空回逡逑流焊接工藝實(shí)現(xiàn)芯片和ＤＢＣ基板Ｗ及ＤＢＣ基板與底板之間的連接。由于焊桻中存逡逑在易揮發(fā)的助焊劑，在焊接過程中可能對基板及芯片表面造成污染，因此采用超聲逡逑波清洗工序，使用清洗劑對焊接完成后的半成品進(jìn)行清洗，保證ＩＧＢＴ芯片表面潔凈逡逑度滿足引線鍵合工藝要求。為了提離產(chǎn)品成品率，在\ 裝工藝過程中進(jìn)行缺陷檢測，逡逑采用超聲掃描顯微鏡或者Ｘ射線顯微鏡對焊料層進(jìn)行檢測，篩選出空洞率符合要求逡逑的半成品進(jìn)入下一道工序，排陳不良品的影響。然后采用超聲引線鍵合工藝實(shí)現(xiàn)巧逡逑－逡逑

。銅在氧氣氛圍內(nèi)形成含銅和氧的共晶液相，潤濕在直接接觸的銅層和氧化逡逑鉛陶瓷層的界面，并通過化學(xué)反應(yīng)ＣｕＯ邋＋邋Ａｌ２0３邋＝邋ＣｕＡｈ0４、ＣｕＡｌ２0４邋＋邋Ｃｕ邋＝邋２邋ＣｕＡ１0２逡逑將銅和陶瓷牢固地結(jié)合到一起［＾’２９］，其制造工藝流程如圖１．６（ａ）所示。在工業(yè)批量生逡逑產(chǎn)中采用大塊的陶瓷基板，根據(jù)所需的圖形對基板上銅層進(jìn)行排布，并用濕法刻蝕逡逑的方法形成所需線路，最后通過激光切割的方法分離開小塊的基板，具體流程如圖逡逑１．６（ｂ）所示。逡逑ＤＢＣ基板因其熱阻低、熱導(dǎo)率氋、機(jī)械特性良好、附著強(qiáng)度高、絕緣性奮和電逡逑流承載能力強(qiáng)，同時(shí)耐焊錫性優(yōu)良，并可刻蝕出各種線路圖形，，廣泛應(yīng)用于功率逡逑半導(dǎo)體模塊、汽車電子、工業(yè)電子、航天航空等領(lǐng)域。同時(shí)，根據(jù)所采用陶瓷材料逡逑的不同，ＤＢＣ邋基板分為邋ＡＩ２Ｏ３－ＤＢＣ、Ａ１Ｎ－ＤＢＣ、Ｓｉ３Ｎ４－ＤＢＣ邋和邋ＢｅＯ－ＤＢＣ，其中邋ＢｅＯ逡逑因?yàn)槠錀诵栽斐扇梭w巧環(huán)境問題而使用受限，現(xiàn)工業(yè)界實(shí)際應(yīng)用的多為備化鉛基板逡逑和巧化鉛基板。相比于氧化鉛基板，巧化錯(cuò)基板的熱導(dǎo)率較離，巧化s昊宓幕懾義锨慷冉仙

本文編號：2518235