电子器件热可靠性及相关设备研究

发布时间：2020-07-14 01:12

【摘要】：可靠性试验是电子产品制造后的关键环节,而环境箱则是可靠性试验中最为常用的设备。电子产品封装后,可靠性是其最为关心的问题,回流炉焊接的优劣会对电子产品可靠性产生影响。研发出新型的回流焊接炉和环境试验箱,对电子元器件封装中的回流焊接和可靠性试验有很强的促进作用。目前,电子封装随着功率密度的增大普遍存在散热不理想的问题;可靠性试验则存在着试验量太大和效果欠佳的问题;环境试验箱存在着功能太过单一而不能进行多种环境试验的问题,也不能满足特殊要求的环境试验;小型回流炉存在着不能批量焊接、不能流水线作业和焊接过程中不能快速冷却的问题。另外,环境箱和回流炉内的温度均匀性高低也会影响可靠性试验和回流焊接效果。针对上述出现的问题,采用了设计、模拟和试验的方法,对封装与散热、可靠性试验、可靠性设备和回流焊接设备进行了研究。设计方面,为IGBT模块设计了两个水冷微通道散热结构,设计了三个不同的回流焊接炉和一个多功能环境试验箱,也为拉伸试验装置设计了一个加热箱和一个低温箱。模拟方面,对LED在环境试验箱中的热性能进行了模拟,也模拟了循环箱和加热箱的温度场和流场分布,分析了其温度均匀性。试验方面,对LED进行了可靠性试验,测试了加热箱、低温箱和循环箱内温度分布情况和温度均匀性,并重点研究了温度均匀性。本文的工作与创新点主要有:(1)对LED和IGBT的封装工艺及散热性能进行了研究,为IGBT模块设计了两种新型水冷微通道散热器。对LED进行了带电和不带电的温度冲击试验,并测试了LED试验中的光通量变化。对LED进行了高温和低温下的虚拟可靠性模拟,分析了应力分布和变化情况,并研究了几种计算LED寿命的方法。(2)研究了普通环境试验箱中的高低温循环箱和温度冲击箱,提出了多功能环境试验箱,也为拉伸试验用的装置量身订做了一个特殊的加热箱和一个低温箱。低温箱中考虑了采用液氮冷却和热电制冷的方法。(3)对在氮气气氛下的回流焊接工艺和在不同回流曲线下的焊接分别进行了试验研究,提出了旋转式回流焊接炉、液氮冷却式回流焊接炉和接触式回流焊接炉。(4)研究了几个影响温度均匀性的因素,重点研究了开门和关门的影响、样品大小的影响和夹具层数的影响,并对它们进行了数值模拟、实验验证和对比分析,发现吻合比较好。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN05
【图文】：

电子封装,双列直插封装,技术,封装技术

图 2-1. 电子封装的作用多世纪的发展，其技术已日趋成熟，技术（SMT）、面阵封装技术、针栅着叠层封装和晶圆级封装（WLP）道。目前的封装技术正从单芯片封装。同时电子产品也朝小型化方向发展程中，也存在过一些问题和挑战。封装（SOP）和小型方块平面封装（QF就造成了封装密度低，占用较大的并增加了成本。随着芯片技术和封装以及硅通孔（TSV）器件[57-59]上封装的可能性就变得越来越明显、越来

示意图,流程,示意图,出光效率

图 2-3. 单颗 LED 的一种封装流程示意图在 LED 的封装过程中，采用新封装工艺和新材料，能大幅提高封装性能采用纳米材料作为基板可降低热阻[61]；采用不同的硅胶材料，或对其进行改进行掺杂[63]，能提高出光效率。不同的透镜工艺，出光效率也有所不同[64]。装工艺的优化，新材料的研究与替代，可以促进 LED 封装技术的发展。如良好的封装效果，则要对光、热、电和结构等因素进行综合考虑。2.1.2 IGBT 封装技术IGBT 为绝缘栅双极型晶体管，具有高输入阻抗和低导通压降等优点，比较小而且饱和压降比较低，适合应用于变频器、开关电源、轨道交通和交流世界上第一只 IGBT 是在 1982 发明[65]的，是将 MOS 和 BJT 技术结合起来而的。之后，IGBT 随着科学技术的快速发展，其生产工艺也不断成熟和完善IGBT 产品的性能得到了较大的提高。IGBT 已广泛应用于开关电源、逆变器

等效电路图,等效电路

图 2-4. IGBT 结构及等效电路在使用过程中也产生了一些问题，例如，它对电流大小和电压要过流保护和过压保护[67]；它在并联工作时存在电流大小不联工作时的均流问题[68, 69]。由于 IGBT 是大功率半导体器件高温度要求不能超过 125℃，因此需要采取恰当有效的散热装T 的封装研究方面，人们主要从封装材料、基板结构[70]、键面进行了研究。一些人提出了压接式的 IGBT 模块[74]和新型 IGBT 模块的可靠性和寿命进行了评估，或用实验和模拟的进行了研究。散热问题一直是限制 IGBT 应用的一大障碍。D 的散热研究

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