IGBT模块封装中大面积基板连接的应力翘曲分析
发布时间：2021-09-30 19:58
模拟绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块中用烧结银对直接覆铜（DBC）基板与铜底板进行大面积连接的过程,发现大面积基板连接会产生很大的翘曲与严重的残余应力.增加铜底板厚度使其刚度增大,能有效改善基板连接的翘曲问题.基板连接的最大残余应力产生于DBC上铜层与陶瓷层连接的角点处,随DBC铜层厚度的增加而增加,随陶瓷层厚度的增加而减小,与焊层厚度关系不大.其主要原因是各层材料厚度变化对结构整体热膨胀系数的改变程度不同,而DBC铜层与陶瓷层之间热失配程度最严重.结构厚度改变对连接层应力大小影响不大,但增加底板厚度会恶化连接层的应力分布,不利于模块长期可靠性.采用DBC下沉法和反向预翘曲法可以在控制连接层残余应力的条件下有效降低IGBT模块因烧结引起的翘曲,不会降低模块的可靠性.
【文章来源】：力学季刊. 2020,41(01)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
DBC基板和焊膏层下沉后的模拟结果
对IGBT模块的三维模型及各层材料介绍如图2所示，根据模块的对称性，为了减少计算量而采用四分之一模型．即此时模型的长宽方向均为20 mm，厚度不变．模型中自上而下各层材料分别为：DBC上铜层、DBC氧化铝层、DBC下铜层、银焊膏层和铜底板层．网格划分方式采用映射网格划分，由于每层结构在长宽方向与厚度方向比值过大，除铜底板层外，在厚度方向将每层材料都划分为三等分．约束条件设置为：底面中心全约束，xoz平面设置y方向约束，yoz平面设置x方向约束．模拟模块从烧结温度(280℃)冷却至室温(25℃)的过程，降温条件设置为5℃/min.模型中各种材料在室温下的热力学特性参数如表1所示，假设材料的参数不随温度变化而变化．
然而，除了工作环境问题，IGBT模块还存在结构问题．在IGBT模块封装的制造与工作过程中都会引起一定程度的翘曲和残余应力，这是导致IGBT模块失效的两个重要因素．模块内部的残余应力会对模块的运行寿命产生重大影响，而模块的翘曲不仅会影响模块内部的机械应力，还会影响模块与外部的连接问题，如IGBT模块底板与热沉之间因翘曲的存在而不能完全贴合，系统的热阻增大，散热能力降低．在IGBT模块封装过程中，芯片与DBC基板和DBC基板与底板的低温烧结过程是产生翘曲和残余应力的两个主要过程．设计良好的封装结构可以改善模块的翘曲和残余应力情况．传统IGBT芯片DBC底板连接的封装结构如图1所示．在封装的过程中很多环节都会产生热应力与翘曲，比如芯片与基板连接、基板与底板连接以及后续的底板与热沉之间的连接．谢鑫鹏[9]分析了芯片粘贴焊层中空洞率、厚度和芯片功率等对封装体温度场和热应力应变场的影响，并对芯片粘贴焊层进行了寿命预测及热可靠性分析．连娇愿[10]针对双面冷却封装形式焊层残余应力过大问题提出了在芯片与上下基板之间添加银缓冲层，并采取阶梯冷却的方式，使焊层应力明显降低，可靠性增加．Wu等[11]在温度循环试验中发现倒装焊点阵列中寿命最短的焊点位于阵列的外角点．刘亚平和杨帆[12]则是通过建立均一化模型，为模拟计算底部充填封装芯片的热应力提出新方法．芯片连接由于面积较小(≈100 mm2)，封装过程中产生的残余应力和翘曲度比较小．为减小残余应力和翘曲度，可以采用优化封装工艺的方法，如管功湖和梁思平[13]设计了焊接前倒装工艺，一次性将IGBT功率模块焊接完成，有效降低了多次烧结引起的热应力．而基板与底板之间由于连接面积更大(>500 mm2)，加工过程和工作过程中由于热失配将导致连接部位的残余应力更大、翘曲更严重．Lin等[14]提出衬底厚度方向的不对称设计、周洋[15]通过反向预弯和改变基板厚度等方法都能改善IGBT模块封装翘曲．但以上方法均是以焊料为互连材料，目前还没有针对银焊膏进行改善IGBT模块大面积连接翘曲和残余应力的系统研究．
【参考文献】：
期刊论文
[1]IGBT功率模块的一次性焊接工艺研究[J]. 管功湖,梁思平. 台州学院学报. 2018(06)
[2]基于细观力学方法的底部充填封装芯片接合层的热应力计算[J]. 刘亚平,杨帆. 力学季刊. 2018(01)
[3]先进微电子封装技术（FC、CSP、BGA）发展趋势概述[J]. 杨建生,陈建军. 集成电路应用. 2003(12)
[4]IGBT的发展现状及应用[J]. 李恩玲,周如培. 半导体杂志. 1998(03)
博士论文
[1]纳米银焊膏无压低温烧结连接方法的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块封装应用研究[D]. 付善灿.天津大学 2017
硕士论文
[1]新型双面冷却功率电子模块封装研究[D]. 连娇愿.天津大学 2013
[2]纳米银焊膏低温烧结在IGBT模块制造中的应用[D]. 唐思熠.天津大学 2012
[3]功率器件封装的可靠性研究[D]. 谢鑫鹏.华南理工大学 2010
[4]纳米银焊膏低温烧结粘接可靠性研究[D]. 齐昆.天津大学 2007
本文编号：3416544
【文章来源】：力学季刊. 2020,41(01)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
DBC基板和焊膏层下沉后的模拟结果
对IGBT模块的三维模型及各层材料介绍如图2所示，根据模块的对称性，为了减少计算量而采用四分之一模型．即此时模型的长宽方向均为20 mm，厚度不变．模型中自上而下各层材料分别为：DBC上铜层、DBC氧化铝层、DBC下铜层、银焊膏层和铜底板层．网格划分方式采用映射网格划分，由于每层结构在长宽方向与厚度方向比值过大，除铜底板层外，在厚度方向将每层材料都划分为三等分．约束条件设置为：底面中心全约束，xoz平面设置y方向约束，yoz平面设置x方向约束．模拟模块从烧结温度(280℃)冷却至室温(25℃)的过程，降温条件设置为5℃/min.模型中各种材料在室温下的热力学特性参数如表1所示，假设材料的参数不随温度变化而变化．
然而，除了工作环境问题，IGBT模块还存在结构问题．在IGBT模块封装的制造与工作过程中都会引起一定程度的翘曲和残余应力，这是导致IGBT模块失效的两个重要因素．模块内部的残余应力会对模块的运行寿命产生重大影响，而模块的翘曲不仅会影响模块内部的机械应力，还会影响模块与外部的连接问题，如IGBT模块底板与热沉之间因翘曲的存在而不能完全贴合，系统的热阻增大，散热能力降低．在IGBT模块封装过程中，芯片与DBC基板和DBC基板与底板的低温烧结过程是产生翘曲和残余应力的两个主要过程．设计良好的封装结构可以改善模块的翘曲和残余应力情况．传统IGBT芯片DBC底板连接的封装结构如图1所示．在封装的过程中很多环节都会产生热应力与翘曲，比如芯片与基板连接、基板与底板连接以及后续的底板与热沉之间的连接．谢鑫鹏[9]分析了芯片粘贴焊层中空洞率、厚度和芯片功率等对封装体温度场和热应力应变场的影响，并对芯片粘贴焊层进行了寿命预测及热可靠性分析．连娇愿[10]针对双面冷却封装形式焊层残余应力过大问题提出了在芯片与上下基板之间添加银缓冲层，并采取阶梯冷却的方式，使焊层应力明显降低，可靠性增加．Wu等[11]在温度循环试验中发现倒装焊点阵列中寿命最短的焊点位于阵列的外角点．刘亚平和杨帆[12]则是通过建立均一化模型，为模拟计算底部充填封装芯片的热应力提出新方法．芯片连接由于面积较小(≈100 mm2)，封装过程中产生的残余应力和翘曲度比较小．为减小残余应力和翘曲度，可以采用优化封装工艺的方法，如管功湖和梁思平[13]设计了焊接前倒装工艺，一次性将IGBT功率模块焊接完成，有效降低了多次烧结引起的热应力．而基板与底板之间由于连接面积更大(>500 mm2)，加工过程和工作过程中由于热失配将导致连接部位的残余应力更大、翘曲更严重．Lin等[14]提出衬底厚度方向的不对称设计、周洋[15]通过反向预弯和改变基板厚度等方法都能改善IGBT模块封装翘曲．但以上方法均是以焊料为互连材料，目前还没有针对银焊膏进行改善IGBT模块大面积连接翘曲和残余应力的系统研究．
【参考文献】：
期刊论文
[1]IGBT功率模块的一次性焊接工艺研究[J]. 管功湖,梁思平. 台州学院学报. 2018(06)
[2]基于细观力学方法的底部充填封装芯片接合层的热应力计算[J]. 刘亚平,杨帆. 力学季刊. 2018(01)
[3]先进微电子封装技术（FC、CSP、BGA）发展趋势概述[J]. 杨建生,陈建军. 集成电路应用. 2003(12)
[4]IGBT的发展现状及应用[J]. 李恩玲,周如培. 半导体杂志. 1998(03)
博士论文
[1]纳米银焊膏无压低温烧结连接方法的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块封装应用研究[D]. 付善灿.天津大学 2017
硕士论文
[1]新型双面冷却功率电子模块封装研究[D]. 连娇愿.天津大学 2013
[2]纳米银焊膏低温烧结在IGBT模块制造中的应用[D]. 唐思熠.天津大学 2012
[3]功率器件封装的可靠性研究[D]. 谢鑫鹏.华南理工大学 2010
[4]纳米银焊膏低温烧结粘接可靠性研究[D]. 齐昆.天津大学 2007
本文编号：3416544
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