功率器件IGBT封装钎焊接头可靠性研究
发布时间：2022-01-09 05:28
绝缘栅双极型晶体管IGBT作为常见的功率器件,具有开断速度快、能实现电流的直流与交流转换等优点,在工业领域得到了广泛应用。IGBT芯片与直接覆铜陶瓷板之间的连接层在封装结构中起到支撑和散热作用,是封装结构中的薄弱部分。连接层通常采用钎焊工艺形成,因此,钎焊接头质量的好坏是影响IGBT器件可靠性的重要因素。由于IGBT芯片在运行过程中功率损耗产生热量,作为常见的钎焊工艺缺陷,空洞会降低散热性能,从而导致IGBT失效率增加。同时,IGBT器件在运行过程中温度波动较大,会导致不同的材料之间由于热膨胀系数不同而开裂,影响长期可靠性。基于实际应用中出现的问题,本文针对空洞对散热的影响进行热模拟,分析了不同的工艺方法对空洞率影响,并对热冲击过程中的变化进行了研究,为IGBT器件可靠性提供了理论依据。首先,采用稳态热模拟方法研究了空洞对IGBT芯片最高温度的影响,研究表明:空洞率增加会导致芯片最高温度升高;在空洞率相同情况下,不同的空洞位置对芯片最高温度影响不同;总的空洞率不变情况下,空洞数目增加会降低芯片最高温度;多个空洞存在时,空洞分布形式对芯片最高温度有一定影响;钎焊接头厚度增加导致最高温度上...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
IGBT功率模块及其应用Fig.1-1IGBTpowermoduleandapplication
华南理工大学硕士学位论文4图1-2IGBT封装结构示意图Fig.1-2ThepackagestructureofIGBT目前工业制造过程中IGBT封装主要的工艺步骤如下：（1）在贴片过程中将芯片准确放置在直接覆铜陶瓷板上恰当位置，同时将直接覆铜陶瓷板放置在铜底板上面；（2）对芯片~DBC板、DBC板~Cu板通过使用相同或不同熔点的钎料合金进行一次或二次钎焊连接；（3）利用等离子清洗技术对钎焊后的半成品进行清洗，去除助焊剂残留物和表面氧化物；（4）采用X射线检测技术或超声波扫描检测技术对半成品的钎焊接头空洞进行检测，剔除不合格的残次品；（5）采用键合引线对芯片与芯片之间、芯片与直接覆铜陶瓷板之间进行连接；（6）对壳体进行塑封，在壳体内抽真空后，注入A、B胶体，然后进行一段时间的高温固化；（7）加装顶盖并将端子折弯，产品基本成型；（8）对成型的产品进行一系列的可靠性检验以及性能测试，确保满足IGBT使用过程中的要求；（9）对测试合格产品进行生产日期等的打标。1.2IGBT芯片互连方法对功率器件IGBT封装结构而言，器件封装特点与微电子封装有较大差别，IGBT在工作中会产生大量的热量，所以对封装结构的散热要求较高，能保证IGBT封装结构有好的热稳定性，同时，IGBT的封装尺寸大，导致在连接过程中形成的工艺缺陷较多。在IGBT封装结构中，芯片与DBC板的连接部分需要传递由芯片功耗带来的热量，因此质量良好的连接层是IGBT器件高可靠性的保障。所以，芯片界面互连技术已经成为了IGBT封装工艺中最重要环节，目前常采用的芯片互连技术主要包括瞬时液相扩散焊技术、纳米银低温烧结技术，以及钎焊技术等[13]。
左右，在功率器件应用中能满足散热要求。同时纳米银低的弹性模量可以缓解热应力，增加温度循环能力。目前对在IGBT封装中采用纳米银低温烧结技术做了大量研究，发现在热循环过程中，芯片-纳米银烧结层-直接覆铜陶瓷板结构在多次循环后接头强度依旧很高，未出现裂纹[19]。除此之外，纳米银膏高温稳定性好，在175℃恒温时效达到1500h后剪切强度依旧大于25MPa[20]。但纳米银低温烧结技术由于材料制备复杂，银价格较高，成本比传统的焊料高，目前还没有在工业生产中大规模应用[21,22]。(a)纳米银烧结工艺过程(b)纳米银烧结层图1-5纳米银低温烧结技术Fig.1-5Nano-silverlow-temperaturesinteringtechnology(a)Nanosilversinteringprocess;(b)nanosilversinteringlayer
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国新能源车用IGBT模块封装技术发展[J]. 邵丽青,李旭东. 汽车与配件. 2019(24)
[2]焊片对钎焊空洞率的影响研究[J]. 蔡航伟,杜昆. 焊接技术. 2019(10)
[3]汽车级IGBT模块功率循环及温度循环寿命对比与分析[J]. 张瑾,仇志杰,王磊,宁圃奇. 中国电力. 2019(09)
[4]超声扫描在IGBT模块焊层缺陷检测中的应用[J]. 王刚明,李聪成,牛利刚,王玉林,滕鹤松. 电子工艺技术. 2019(01)
[5]高功率芯片钎焊预成形焊片的空洞控制[J]. 徐建丽. 焊接技术. 2018(12)
[6]焊料层空洞对绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块温度分布的影响[J]. 孙海峰,杨舒曼. 科学技术与工程. 2018(32)
[7]SnAgCu/Cu钎焊接头热循环时效组织与性能[J]. 杨晓华,杨思佳,兑卫真,李晓延. 材料热处理学报. 2018(04)
[8]AuSn焊料预热温度对高功率半导体激光器封装质量影响的研究[J]. 赵梓涵,王宪涛,王海卫. 长春理工大学学报(自然科学版). 2017(02)
[9]基于高温铅锡合金焊料低空洞率焊接研究[J]. 项罗毅,颜廷刚. 装备制造技术. 2016(12)
[10]IGBT模块封装底板的氧化程度对焊接空洞率的影响分析[J]. 黄小娟,王豹子,叶娜,谢龙飞,高凡,刘超. 电子产品世界. 2016(05)
博士论文
[1]IGBT功率模块封装可靠性研究[D]. 徐玲.华中科技大学 2016
[2]功率器件无铅焊料焊接层可靠性研究[D]. 常俊玲.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所） 2005
硕士论文
[1]钎焊界面气泡演变行为及对界面反应的影响[D]. 孙俊豪.大连理工大学 2015
[2]Cu-Al化合物对SnAgCu焊点可靠性的影响[D]. 张志鑫.哈尔滨工业大学 2014
[3]电动汽车逆变器大功率IGBT模块新型封装技术研究[D]. 任恩贤.天津大学 2014
[4]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
[5]功率器件SnAgCu无铅焊接层可靠性研究[D]. 张贵平.华中科技大学 2008
[6]无铅合金钎焊接头热疲劳性能的研究[D]. 高原.北京工业大学 2007
本文编号：3578054
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
IGBT功率模块及其应用Fig.1-1IGBTpowermoduleandapplication
华南理工大学硕士学位论文4图1-2IGBT封装结构示意图Fig.1-2ThepackagestructureofIGBT目前工业制造过程中IGBT封装主要的工艺步骤如下：（1）在贴片过程中将芯片准确放置在直接覆铜陶瓷板上恰当位置，同时将直接覆铜陶瓷板放置在铜底板上面；（2）对芯片~DBC板、DBC板~Cu板通过使用相同或不同熔点的钎料合金进行一次或二次钎焊连接；（3）利用等离子清洗技术对钎焊后的半成品进行清洗，去除助焊剂残留物和表面氧化物；（4）采用X射线检测技术或超声波扫描检测技术对半成品的钎焊接头空洞进行检测，剔除不合格的残次品；（5）采用键合引线对芯片与芯片之间、芯片与直接覆铜陶瓷板之间进行连接；（6）对壳体进行塑封，在壳体内抽真空后，注入A、B胶体，然后进行一段时间的高温固化；（7）加装顶盖并将端子折弯，产品基本成型；（8）对成型的产品进行一系列的可靠性检验以及性能测试，确保满足IGBT使用过程中的要求；（9）对测试合格产品进行生产日期等的打标。1.2IGBT芯片互连方法对功率器件IGBT封装结构而言，器件封装特点与微电子封装有较大差别，IGBT在工作中会产生大量的热量，所以对封装结构的散热要求较高，能保证IGBT封装结构有好的热稳定性，同时，IGBT的封装尺寸大，导致在连接过程中形成的工艺缺陷较多。在IGBT封装结构中，芯片与DBC板的连接部分需要传递由芯片功耗带来的热量，因此质量良好的连接层是IGBT器件高可靠性的保障。所以，芯片界面互连技术已经成为了IGBT封装工艺中最重要环节，目前常采用的芯片互连技术主要包括瞬时液相扩散焊技术、纳米银低温烧结技术，以及钎焊技术等[13]。
左右，在功率器件应用中能满足散热要求。同时纳米银低的弹性模量可以缓解热应力，增加温度循环能力。目前对在IGBT封装中采用纳米银低温烧结技术做了大量研究，发现在热循环过程中，芯片-纳米银烧结层-直接覆铜陶瓷板结构在多次循环后接头强度依旧很高，未出现裂纹[19]。除此之外，纳米银膏高温稳定性好，在175℃恒温时效达到1500h后剪切强度依旧大于25MPa[20]。但纳米银低温烧结技术由于材料制备复杂，银价格较高，成本比传统的焊料高，目前还没有在工业生产中大规模应用[21,22]。(a)纳米银烧结工艺过程(b)纳米银烧结层图1-5纳米银低温烧结技术Fig.1-5Nano-silverlow-temperaturesinteringtechnology(a)Nanosilversinteringprocess;(b)nanosilversinteringlayer
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国新能源车用IGBT模块封装技术发展[J]. 邵丽青,李旭东. 汽车与配件. 2019(24)
[2]焊片对钎焊空洞率的影响研究[J]. 蔡航伟,杜昆. 焊接技术. 2019(10)
[3]汽车级IGBT模块功率循环及温度循环寿命对比与分析[J]. 张瑾,仇志杰,王磊,宁圃奇. 中国电力. 2019(09)
[4]超声扫描在IGBT模块焊层缺陷检测中的应用[J]. 王刚明,李聪成,牛利刚,王玉林,滕鹤松. 电子工艺技术. 2019(01)
[5]高功率芯片钎焊预成形焊片的空洞控制[J]. 徐建丽. 焊接技术. 2018(12)
[6]焊料层空洞对绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块温度分布的影响[J]. 孙海峰,杨舒曼. 科学技术与工程. 2018(32)
[7]SnAgCu/Cu钎焊接头热循环时效组织与性能[J]. 杨晓华,杨思佳,兑卫真,李晓延. 材料热处理学报. 2018(04)
[8]AuSn焊料预热温度对高功率半导体激光器封装质量影响的研究[J]. 赵梓涵,王宪涛,王海卫. 长春理工大学学报(自然科学版). 2017(02)
[9]基于高温铅锡合金焊料低空洞率焊接研究[J]. 项罗毅,颜廷刚. 装备制造技术. 2016(12)
[10]IGBT模块封装底板的氧化程度对焊接空洞率的影响分析[J]. 黄小娟,王豹子,叶娜,谢龙飞,高凡,刘超. 电子产品世界. 2016(05)
博士论文
[1]IGBT功率模块封装可靠性研究[D]. 徐玲.华中科技大学 2016
[2]功率器件无铅焊料焊接层可靠性研究[D]. 常俊玲.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所） 2005
硕士论文
[1]钎焊界面气泡演变行为及对界面反应的影响[D]. 孙俊豪.大连理工大学 2015
[2]Cu-Al化合物对SnAgCu焊点可靠性的影响[D]. 张志鑫.哈尔滨工业大学 2014
[3]电动汽车逆变器大功率IGBT模块新型封装技术研究[D]. 任恩贤.天津大学 2014
[4]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
[5]功率器件SnAgCu无铅焊接层可靠性研究[D]. 张贵平.华中科技大学 2008
[6]无铅合金钎焊接头热疲劳性能的研究[D]. 高原.北京工业大学 2007
本文编号：3578054
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