IGBT功率模块封装可靠性研究
发布时间：2019-07-23 15:07
【摘要】：绝缘栅双极晶体管(IGBT)现已成为功率半导体器件主流,是实现电能变换和控制的技术关键,其广泛应用离不开可靠的封装。IGBT功率模块封装涉及热学、电学、力学、材料等多学科交叉,其可靠性研究及优化设计对功率模块失效理论发展及其产业化意义重大。迫切需要深入研究IGBT功率模块的失效机理,分析封装材料、工艺、结构等因素对模块可靠性的影响。本论文围绕IGBT功率模块封装可靠性相关问题,对影响IGBT模块可靠性的几个因素(绝缘基板、焊料层、散热)开展可靠性试验研究和分析,并在此基础上以提高可靠性为目的提出相应的优化设计方案。首先,通过热循环试验及失效分析阐明直接敷铜(DBC)基板的失效模式,理论分析DBC基板的失效机理,建立基于应力强度因子及最大切向应力理论的DBC基板界面裂纹曲折破坏准则。分别通过解析方法及数值方法计算DBC基板热应力强度因子,应用所建立的破坏准则分析裂纹从铜-陶瓷界面奇点萌生后向陶瓷内部扩展的过程。试验、理论分析及有限元仿真三者得出的结论相吻合,证实所建立的界面裂纹扩展准则的合理性。其次,提出一种采用梯度铜层结构的DBC基板结构设计方案,采用等效电容法测得的热循环寿命统计结果表明该结构能够有效提高DBC基板可靠性；建立梯度铜层DBC基板的热机械耦合仿真模型,采用修正的超低周疲劳寿命预测模型对该基板进行热循环寿命预测,预测结果与试验结果相符：通过基于有限元仿真的试验设计方法分析基板结构参数对基板应力分布及热循环寿命的影响,优化梯度铜层DBC基板的结构参数。再次,通过IGBT功率模块大面积焊接试样热循环试验和失效分析,阐明焊料热疲劳失效模式：建立焊接试样热机械耦合模型分析热循环过程中焊料的应力应变情况：采用基于应变及基于能量的寿命预测模型预测焊料疲劳寿命,预测结果均与试验相符。通过超声扫描显微镜观察焊料层空洞在热循环过程中的演化,采用有限元热分析建立芯片结温与空洞率或空洞分布的函数关系。建立回流焊接工艺动态热机械耦合仿真模型,通过基于有限元仿真的正交试验设计,分析焊接结构多个参数对模块应力分布及翘曲的影响,从而优化焊接结构,提高功率模块可靠性。最后,应用微通道技术实现大功率IGBT模块主动散热,建立计算流体动力学模型和热机械耦合仿真模型,分析底板预置微通道的IGBT功率模块的热机械性能,包括模块工作状态下的温度分布、回流工艺后的残余应力和翘曲、工作状态下的应力和翘曲；仿真所得翘曲结果与三坐标仪测量结果一致。底板预置微通道的IGBT模块工作状态下翘曲几乎为零。通过有限元参数化分析求得铜底板和焊料层的厚度对硅芯片应力的影响,对模块进行优化以降低芯片应力,提高模块可靠性。
【图文】：
（ｂ）邋ＩＧＢＴ模块截面示意图逡逑困１．２邋ＩＧＢＴ功率模块封装结构逡逑ＩＧＢＴ功率模块典型的封装工艺流程如图１．３所示。首先根据电路巧扑的设计，逡逑在直接敷铜（Ｄｉｒｅｃｔ邋Ｂｏｎｄｅｄ邋Ｃｏｐｐｅｒ，ＤＢＣ）基板上铜层及底板上表面通过丝网印刷逡逑工艺印刷一定巧度的焊奇，将芯片和ＤＢＣ基板分别贴装在对应位置上，通过真空回逡逑流焊接工艺实现芯片和ＤＢＣ基板Ｗ及ＤＢＣ基板与底板之间的连接。由于焊桻中存逡逑在易挥发的助焊剂，在焊接过程中可能对基板及芯片表面造成污染，因此采用超声逡逑波清洗工序，使用清洗剂对焊接完成后的半成品进行清洗，保证ＩＧＢＴ芯片表面洁净逡逑度满足引线键合工艺要求。为了提离产品成品率，在\ 装工艺过程中进行缺陷检测，逡逑采用超声扫描显微镜或者Ｘ射线显微镜对焊料层进行检测，筛选出空洞率符合要求逡逑的半成品进入下一道工序，排陈不良品的影响。然后采用超声引线键合工艺实现巧逡逑－逡逑
。铜在氧气氛围内形成含铜和氧的共晶液相，润湿在直接接触的铜层和氧化逡逑铅陶瓷层的界面，并通过化学反应ＣｕＯ邋＋邋Ａｌ２0３邋＝邋ＣｕＡｈ0４、ＣｕＡｌ２0４邋＋邋Ｃｕ邋＝邋２邋ＣｕＡ１0２逡逑将铜和陶瓷牢固地结合到一起［＾’２９］，其制造工艺流程如图１．６（ａ）所示。在工业批量生逡逑产中采用大块的陶瓷基板，根据所需的图形对基板上铜层进行排布，并用湿法刻蚀逡逑的方法形成所需线路，最后通过激光切割的方法分离开小块的基板，具体流程如图逡逑１．６（ｂ）所示。逡逑ＤＢＣ基板因其热阻低、热导率氋、机械特性良好、附着强度高、绝缘性奋和电逡逑流承载能力强，同时耐焊锡性优良，并可刻蚀出各种线路图形，，广泛应用于功率逡逑半导体模块、汽车电子、工业电子、航天航空等领域。同时，根据所采用陶瓷材料逡逑的不同，ＤＢＣ邋基板分为邋ＡＩ２Ｏ３－ＤＢＣ、Ａ１Ｎ－ＤＢＣ、Ｓｉ３Ｎ４－ＤＢＣ邋和邋ＢｅＯ－ＤＢＣ，其中邋ＢｅＯ逡逑因为其椝性造成人体巧环境问题而使用受限，现工业界实际应用的多为备化铅基板逡逑和巧化铅基板。相比于氧化铅基板，巧化错基板的热导率较离，巧化s昊宓幕慑义锨慷冉仙
本文编号：2518235
【图文】：
（ｂ）邋ＩＧＢＴ模块截面示意图逡逑困１．２邋ＩＧＢＴ功率模块封装结构逡逑ＩＧＢＴ功率模块典型的封装工艺流程如图１．３所示。首先根据电路巧扑的设计，逡逑在直接敷铜（Ｄｉｒｅｃｔ邋Ｂｏｎｄｅｄ邋Ｃｏｐｐｅｒ，ＤＢＣ）基板上铜层及底板上表面通过丝网印刷逡逑工艺印刷一定巧度的焊奇，将芯片和ＤＢＣ基板分别贴装在对应位置上，通过真空回逡逑流焊接工艺实现芯片和ＤＢＣ基板Ｗ及ＤＢＣ基板与底板之间的连接。由于焊桻中存逡逑在易挥发的助焊剂，在焊接过程中可能对基板及芯片表面造成污染，因此采用超声逡逑波清洗工序，使用清洗剂对焊接完成后的半成品进行清洗，保证ＩＧＢＴ芯片表面洁净逡逑度满足引线键合工艺要求。为了提离产品成品率，在\ 装工艺过程中进行缺陷检测，逡逑采用超声扫描显微镜或者Ｘ射线显微镜对焊料层进行检测，筛选出空洞率符合要求逡逑的半成品进入下一道工序，排陈不良品的影响。然后采用超声引线键合工艺实现巧逡逑－逡逑
。铜在氧气氛围内形成含铜和氧的共晶液相，润湿在直接接触的铜层和氧化逡逑铅陶瓷层的界面，并通过化学反应ＣｕＯ邋＋邋Ａｌ２0３邋＝邋ＣｕＡｈ0４、ＣｕＡｌ２0４邋＋邋Ｃｕ邋＝邋２邋ＣｕＡ１0２逡逑将铜和陶瓷牢固地结合到一起［＾’２９］，其制造工艺流程如图１．６（ａ）所示。在工业批量生逡逑产中采用大块的陶瓷基板，根据所需的图形对基板上铜层进行排布，并用湿法刻蚀逡逑的方法形成所需线路，最后通过激光切割的方法分离开小块的基板，具体流程如图逡逑１．６（ｂ）所示。逡逑ＤＢＣ基板因其热阻低、热导率氋、机械特性良好、附着强度高、绝缘性奋和电逡逑流承载能力强，同时耐焊锡性优良，并可刻蚀出各种线路图形，，广泛应用于功率逡逑半导体模块、汽车电子、工业电子、航天航空等领域。同时，根据所采用陶瓷材料逡逑的不同，ＤＢＣ邋基板分为邋ＡＩ２Ｏ３－ＤＢＣ、Ａ１Ｎ－ＤＢＣ、Ｓｉ３Ｎ４－ＤＢＣ邋和邋ＢｅＯ－ＤＢＣ，其中邋ＢｅＯ逡逑因为其椝性造成人体巧环境问题而使用受限，现工业界实际应用的多为备化铅基板逡逑和巧化铅基板。相比于氧化铅基板，巧化错基板的热导率较离，巧化s昊宓幕慑义锨慷冉仙
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