劉洋志,盧盛輝,吳麗娟,宋宣廷,李良良
(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 湖南省柔性電子材料基因組工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410114;2.南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院人工智能學(xué)院,廣西 南寧 530008)
近年來,在電力電子行業(yè)中,碳化硅功率器件的發(fā)展大大提升了半導(dǎo)體器件的性能。自2001 年英飛凌公司率先量產(chǎn)碳化硅SBD 并進(jìn)入市場(chǎng)以來,碳化硅功率器件憑借其正向壓降低、開關(guān)速度快、導(dǎo)熱性能好等特點(diǎn),適用于軌道交通、智能電網(wǎng)等高端領(lǐng)域,且一直有著良好的應(yīng)用前景。
碳化硅芯片工作時(shí)可以維持高的結(jié)溫,但這會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的熱應(yīng)力,進(jìn)而可能使芯片的電氣性能惡化[1]。對(duì)此問題,合適的封裝技術(shù)可以提高碳化硅模塊的可靠性,國內(nèi)外研究者們對(duì)改進(jìn)碳化硅封裝可靠性展開了研究[2-5]。如在材料方面,Wagner 等[6]通過有限元功率循環(huán)仿真,比較了分別使用陶瓷化合物封裝和高分子聚合物封裝對(duì)單個(gè)碳化硅功率模塊的影響,發(fā)現(xiàn)隨著封裝物剛度的增加,模塊可靠性和使用壽命隨之增加。Bai 等[7]通過溫度循環(huán)試驗(yàn),探究低溫?zé)Y(jié)銀作為碳化硅芯片連接層時(shí)的熱疲勞壽命和失效機(jī)理,發(fā)現(xiàn)其在DBC 基板上具有高可靠性。優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)或布局同樣是一種提升模塊可靠性的方法,如用響應(yīng)面曲線法和蟻群優(yōu)化-反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,對(duì)封裝中碳化硅MOSFET 芯片的位置進(jìn)行優(yōu)化來降低結(jié)溫和熱機(jī)械應(yīng)力[8]?;蚴褂锰锟谠囼?yàn)法優(yōu)化倒凹槽焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)來增加焊點(diǎn)的熱疲勞壽命[9]。針對(duì)碳化硅器件封裝會(huì)承受更大熱應(yīng)力的問題,在封裝中引入鉬緩沖層可以提高模塊的可靠性[10-11],然而目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開展的研究尚存不足,如鉬緩沖層多應(yīng)用在壓接型封裝中,而對(duì)應(yīng)用于焊接式封裝的研究較少,更沒有進(jìn)一步分析鉬緩沖層結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)溫度循環(huán)條件下各組件應(yīng)力應(yīng)變的影響規(guī)律,以及沒有在緩沖層結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方面展開深入研究。
為深入了解鉬緩沖層及其尺寸變化對(duì)各組件的影響,本文采用有限元分析方法對(duì)有無鉬緩沖層的焊接式封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱循環(huán)可靠性加速試驗(yàn)仿真,探究了引入鉬緩沖層后各組件應(yīng)力或者應(yīng)變的變化。接著通過進(jìn)一步計(jì)算得到兩種封裝的焊料層危險(xiǎn)點(diǎn)處的等效塑性應(yīng)變范圍,并用于預(yù)測(cè)焊料層的疲勞壽命。隨后利用響應(yīng)面曲線方法分析了鉬緩沖層的尺寸對(duì)封裝中各組件應(yīng)力或應(yīng)變的影響,并通過仿真進(jìn)一步研究鉬緩沖層的最優(yōu)尺寸。最后討論了引入鉬緩沖層對(duì)熱阻以及封裝可靠性的影響。本研究將為SiC 功率模塊封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供參考。
本文以是否帶鉬緩沖層的焊接式封裝作為研究對(duì)象,各組件尺寸如圖1 二維結(jié)構(gòu)所示,其中(a)為無鉬層封裝,(b)為帶鉬緩沖層封裝。D和H分別是鉬緩沖層的直徑和厚度,初始取值分別為7.5 mm 和0.7 mm。在有限元工具中對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型,考慮到結(jié)構(gòu)對(duì)稱性,采取四分之一的模型進(jìn)行計(jì)算。將兩個(gè)側(cè)面設(shè)置為對(duì)稱面,對(duì)銅底座的底面施加X、Y、Z方向的零位移約束。仿真中組件的幾何參數(shù)和材料參數(shù)均與實(shí)際相同。各個(gè)組件材料都是各向同性和線性彈性的,且納米銀焊料同時(shí)耦合了粘塑性材料特性。描述納米銀粘塑性行為的Anand 模型如表1所示,各組件材料參數(shù)如表2 所示。
表1 納米銀的Anand 粘塑性模型材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of Anand viscoplastic model of nanosilver
表2 材料性能參數(shù)Tab.2 Material performance parameters
圖1 二維結(jié)構(gòu)圖及三維有限元模型Fig.1 2D structure and 3D finite element model
對(duì)兩種封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱循環(huán)可靠性加速試驗(yàn)仿真。試驗(yàn)的加載按照J(rèn)ESD22-A104D 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。初始零應(yīng)力溫度設(shè)置為室溫25 ℃,溫度范圍從-55 ℃到+150℃,極端溫度下的駐留時(shí)間為15 min。試驗(yàn)過程中為了避免測(cè)試樣品的瞬態(tài)熱梯度對(duì)失效的影響,升降溫速率不應(yīng)超過15 ℃/min,根據(jù)這一原則,試驗(yàn)中設(shè)定升降溫時(shí)間均為15 min,每個(gè)周期持續(xù)60 min。在熱循環(huán)過程中,焊料中的應(yīng)力和應(yīng)變表現(xiàn)出周期性的變化,并在經(jīng)歷幾個(gè)周期的加載后穩(wěn)定下來,因此本文進(jìn)行四個(gè)溫度周期的有限元仿真。
在整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)中,不同的組件具有不同的熱膨脹系數(shù),當(dāng)溫度發(fā)生改變后將在每個(gè)組件上產(chǎn)生熱應(yīng)力,各組件在熱循環(huán)中的最大應(yīng)力-彈性應(yīng)變?nèi)鐖D2 所示。在兩種封裝結(jié)構(gòu)中,碳化硅芯片和鎳金屬層具有較大的彈性模量,熱應(yīng)變較小且受到較大的熱應(yīng)力。納米銀具有較大的熱膨脹系數(shù)和較低的彈性模量,因此容易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)變。對(duì)比兩種封裝,引入鉬緩沖層后各組件的應(yīng)力和應(yīng)變都得到了不同程度的緩解。芯片最大等效應(yīng)力(Von Mises 應(yīng)力)從162.55 MPa 減至64.67 MPa,降低了60.2%,芯片連接層的最大等效應(yīng)力從 87.48 MPa 降至 46.99 MPa,減少了46.28%。而芯片金屬化層具有較薄的厚度,其與相鄰組件產(chǎn)生的熱膨脹體積差異較小,主要受到來自于其他組件傳遞過來的應(yīng)力,因此應(yīng)力變化較小。芯片Von Mises 應(yīng)力分布云圖如圖3 所示。焊接式封裝的芯片底面由于接近銅底座而出現(xiàn)大面積的應(yīng)力集中。加入鉬緩沖層后,應(yīng)力分布與Module I 相似,但應(yīng)力整體降低。這是由于應(yīng)力主要來自銅和碳化硅芯片之間熱膨脹系數(shù)的失配,而鉬的熱膨脹系數(shù)介于銅和碳化硅之間,引入鉬緩沖層降低了封裝的應(yīng)力梯度,緩解了組件之間熱失配的程度。
圖2 組件的最大等效應(yīng)力-彈性應(yīng)變Fig.2 Maximum equivalent stress-elastic strain of the components
圖3 芯片的Von Mises 應(yīng)力分布云圖Fig.3 Von Mises stress contour plot of the die
焊料層在溫度循環(huán)過程中應(yīng)力隨時(shí)間變化如圖4所示。在應(yīng)力演變過程中,可以觀察到明顯的應(yīng)力松弛現(xiàn)象。25 ℃為無應(yīng)力狀態(tài),當(dāng)溫度從25 ℃到150℃時(shí),焊料層和周圍組件的膨脹體積差異產(chǎn)生熱應(yīng)力,但熱應(yīng)力很快被應(yīng)力松弛所補(bǔ)償,且納米銀的彈性模量隨著溫度的升高而降低,這產(chǎn)生了一個(gè)先增加隨后迅速減小的應(yīng)力恢復(fù)峰。在高溫駐留時(shí)間內(nèi),應(yīng)力松弛占據(jù)主導(dǎo)地位,焊料層等效應(yīng)力持續(xù)降低直到溫度開始下降,材料由膨脹轉(zhuǎn)為收縮,焊料應(yīng)力持續(xù)升高。當(dāng)焊料層處于低溫駐留時(shí)間時(shí),應(yīng)力松弛繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位,應(yīng)力從高點(diǎn)開始回落。隨后在溫度從-55 ℃恢復(fù)到室溫25 ℃的升溫過程中,應(yīng)力迅速下降,但最終并沒有回到無應(yīng)力狀態(tài),這表明溫度卸載后產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。
圖4 焊料層等效應(yīng)力演變歷史Fig.4 Solder layer equivalent stress evolution
有研究表明焊料層在升溫過程中出現(xiàn)的應(yīng)力恢復(fù)峰值受到周圍組件熱膨脹系數(shù)大小的影響,尤其對(duì)基底層的熱膨脹系數(shù)變化較為敏感[13]。隨著鉬緩沖層的加入,焊料層在溫度循環(huán)中承受的最大等效應(yīng)力和應(yīng)力恢復(fù)峰都不同程度地下降,應(yīng)力演變趨于穩(wěn)定后Module II 中芯片焊料層應(yīng)力恢復(fù)峰從Module I 中的33.47 MPa 降至2.39 MPa,底座焊料層的應(yīng)力恢復(fù)峰值降至23.85 MPa。應(yīng)力恢復(fù)峰的大小反應(yīng)了組件之間熱失配的程度,即鉬緩沖層的加入使所有焊料層的熱失配程度得到改善。
焊料層既是整個(gè)結(jié)構(gòu)的重要連接部分,也是結(jié)構(gòu)中最容易失效的組件。Coffin-Manson 模型[14]以焊料層出現(xiàn)疲勞裂紋作為失效判據(jù),是一種廣泛應(yīng)用于分析金屬或焊接材料在循環(huán)塑性變形下壽命的方法。Yang 等[15]使用了Engel-Maier 的Coffin-Manson 修正模型來獲得納米銀焊料更準(zhǔn)確的壽命預(yù)測(cè)結(jié)果。由熱循環(huán)仿真結(jié)果得到焊料的等效塑性應(yīng)變范圍,其疲勞壽命可采用以下模型進(jìn)行預(yù)測(cè):
式中:Nf為焊料層的熱疲勞失效壽命;Δεplastic為等效塑性應(yīng)變范圍;εf為疲勞韌度系數(shù)(取0.325)[16];C3代表疲勞韌度指數(shù),可由下式確定:
式中:Tm是熱循環(huán)的最高溫度和最低溫度的算術(shù)平均值;tdwell為高低溫平均保持時(shí)間。
將焊料層的最大塑性應(yīng)變處定義為危險(xiǎn)點(diǎn),芯片焊料層的最大塑性應(yīng)變集中在直角邊角,底座焊料層的最大塑性應(yīng)變集中在圓弧外圈。如表3 所示,通過計(jì)算得到兩種封裝中焊料層危險(xiǎn)點(diǎn)的塑性應(yīng)變范圍,代入公式(1)得到疲勞壽命。計(jì)算得到Module I 中芯片焊料層疲勞壽命為690 次循環(huán),Module II 中芯片焊料層和底座焊料層的疲勞壽命分別為952557 次循環(huán)和775 次循環(huán)。
表3 焊料層等效塑性應(yīng)變及熱疲勞壽命Tab.3 Equivalent plastic strain and thermal fatigue life of the solder layer
綜上,通過在封裝中焊接鉬緩沖層,能夠提高各焊料層疲勞壽命,其中芯片焊料層的疲勞壽命增加約1380倍。但底座焊料層熱疲勞壽命與Module I 中芯片焊料層壽命相比只有少量提升,其原因是: 一方面鉬的線膨脹系數(shù)(5.3×10-6K-1)比碳化硅芯片的線膨脹系數(shù)(4.5×10-6K-1)更接近銅底座的線膨脹系數(shù)(16.5×10-6K-1),Module II 中的底座焊料比Module I 中芯片焊料會(huì)具有更好的可靠性;另一方面,鉬片的尺寸對(duì)焊料層壽命同樣會(huì)產(chǎn)生影響,鉬緩沖層尺寸比芯片更大,這從一定程度上增加了底座焊料的應(yīng)力和應(yīng)變,降低了壽命,因此,底座焊料層熱疲勞壽命提升不明顯。
由上文可知,鉬緩沖層可有效降低碳化硅芯片的應(yīng)力,并增加焊料層的熱疲勞壽命。為進(jìn)一步研究鉬緩沖層的尺寸對(duì)封裝中各個(gè)組件的影響,以鉬緩沖層厚度和直徑為參數(shù),取緩沖層厚度為0.3~1 mm,直徑為7~11 mm。利用響應(yīng)面分析的中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)出組合表,由于焊料層的熱損傷積累通常可以用等效塑性應(yīng)變來描述,所以選擇焊料層在經(jīng)歷四次溫度循環(huán)后累計(jì)的塑性應(yīng)變和芯片等效應(yīng)力作為分析對(duì)象。建立出的相應(yīng)13 組模型以及仿真結(jié)果如表4 所示,對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸擬合,得到溫度循環(huán)過程中芯片受到的最大應(yīng)力以及循環(huán)結(jié)束后焊料層累計(jì)的塑性應(yīng)變回歸模型公式如下:
表4 仿真結(jié)果Tab.4 Simulation results
式中: Stressdie為芯片應(yīng)力;Strainds為芯片焊料塑性應(yīng)變;Strainbs為底座焊料塑性應(yīng)變。為驗(yàn)證上述模型,進(jìn)行3 組驗(yàn)證仿真,模型結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致,誤差在10%以內(nèi),驗(yàn)證仿真結(jié)果如表5 所示。
表5 驗(yàn)證仿真結(jié)果Tab.5 Verification of simulation results
為了進(jìn)一步分析緩沖層的直徑和厚度對(duì)芯片和焊料層可靠性的影響,對(duì)式(3)、(4)、(5)回歸模型進(jìn)行響應(yīng)面分析,構(gòu)建的響應(yīng)面曲線如圖5 所示。封裝結(jié)構(gòu)中溫度改變后緩沖層的自由通脹量如式(6)。
式中:L為緩沖層的初始長(zhǎng)度,在垂直方向等于緩沖層厚度H,在水平方向等于緩沖層直徑D;ΔLbuffer為緩沖層的自由通脹量;α為鉬的線膨脹系數(shù);初始溫度為T0,使其均勻受熱之后,溫度升至T1。如果材料不受約束,則不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。封裝中各組件受到相同的加熱或冷卻,由于組件熱膨脹系數(shù)不同造成自由通脹量不同,組件彼此相互制約從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。鉬緩沖層厚度或直徑的改變使其原本的自由通脹量發(fā)生改變,各組件的熱應(yīng)力也隨之變化。
由圖5 可見,隨著緩沖層直徑的增加,緩沖層和周圍組件之間熱失配程度加劇,芯片應(yīng)力和焊料層塑性應(yīng)變都隨之增加。當(dāng)緩沖層厚度為0.65 mm 時(shí),隨著直徑從11 mm 降低到7 mm,芯片應(yīng)力從74.32 MPa降至57.40 MPa,芯片焊料層累計(jì)塑性應(yīng)變從0.0358553 降至0.0128864,底座焊料層累計(jì)塑性應(yīng)變從0.743454 降至0.269634。各焊料層的可靠性隨著緩沖層直徑的減小而提高。
圖5 (a) 芯片等效應(yīng)力響應(yīng)曲面;(b) 芯片焊料累積塑性應(yīng)變響應(yīng)曲面;(c) 底座焊料累積塑性應(yīng)變響應(yīng)曲面Fig.5 Response surface of (a) the die equivalent stress,(b) the die solder accumulation plastic strain,and (c) the base solder accumulation plastic strain
各焊料層疲勞壽命隨緩沖層直徑變化如圖6 所示,隨著緩沖層直徑從11 mm 降至7 mm,芯片焊料層壽命從193681 次循環(huán)增至933197 次循環(huán),底座焊料層從192 次循環(huán)增至1047 次循環(huán)。即緩沖層直徑接近芯片對(duì)角線長(zhǎng)度時(shí)各焊料層壽命最佳。
圖6 緩沖層直徑對(duì)焊料層疲勞壽命的影響Fig.6 Influence of buffer layer diameter on the fatigue life of solder layers
同理,隨著緩沖層厚度增加,位于緩沖層和銅底座之間的底座焊料層塑性應(yīng)變也隨之增加。當(dāng)緩沖層直徑為7 mm 時(shí),隨著厚度從0.3 mm 增至1 mm,底座焊料層累計(jì)塑性應(yīng)變從0.234581 增至0.279434。但緩沖層頂部的芯片焊料層塑性應(yīng)變和芯片應(yīng)力卻隨之降低,芯片應(yīng)力從88.28 MPa 降至47.45 MPa,芯片焊料層累計(jì)塑性應(yīng)變從0.0169741 降至0.0115285。這是由于鉬和碳化硅之間的熱膨脹系數(shù)相差較小,厚度的增加雖然會(huì)導(dǎo)致鉬和碳化硅之間應(yīng)力的增加,但在封裝中這不是熱應(yīng)力的主要來源,封裝的主要熱應(yīng)力-應(yīng)變?cè)醋跃彌_層和銅底座界面,而緩沖層厚度增加給其頂部組件提供了更好的緩沖作用。
為進(jìn)一步研究鉬緩沖層的最優(yōu)厚度,取芯片的對(duì)角線長(zhǎng)度為緩沖層直徑,對(duì)不同緩沖層厚度的結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱循環(huán)仿真。焊料層疲勞壽命隨緩沖層厚度變化如圖7 所示,隨著緩沖層厚度從0 mm 增至0.06 mm,芯片焊料層與底座焊料層的疲勞壽命從690 次循環(huán)分別增至89995 次與3677 次循環(huán),此時(shí)底座焊料層達(dá)到壽命的峰值。隨著厚度繼續(xù)從0.06 mm 增至0.8 mm,芯片焊料層疲勞壽命達(dá)到2034014 次循環(huán),而底座焊料層疲勞壽命降至844 次循環(huán)。
圖7 緩沖層厚度對(duì)焊料層疲勞壽命的影響Fig.7 Influence of buffer layer thickness on the fatigue life of solder layers
這是由于緩沖層厚度非常薄時(shí),兩層焊料層的熱應(yīng)力-應(yīng)變來自于碳化硅芯片和銅底座之間的熱失配,而緩沖層緩解了其熱失配程度,芯片焊料層和底座焊料層的壽命都隨厚度增加而增大。但隨著緩沖層厚度繼續(xù)增大,緩沖層和銅底座之間的熱失配程度開始加劇,并成為底座焊料層熱應(yīng)力的主要來源,底座焊料層壽命隨緩沖層厚度增加而降低。碳化硅芯片與緩沖層的熱膨脹系數(shù)相差較小,同時(shí)緩沖層為芯片焊料層緩沖了來自緩沖層和銅底座之間的熱失配。因此芯片焊料層的壽命隨著厚度增加首先迅速增加,隨后趨于平緩。
當(dāng)緩沖層厚度從0.8 mm 增至1 mm,芯片焊料層疲勞壽命增至2257963 次循環(huán)。底座焊料層疲勞壽命844 次循環(huán)降至463 次循環(huán),此時(shí)其疲勞壽命低于Module I 芯片焊料層壽命,因此緩沖層的最優(yōu)厚度為0.5~0.7 mm,在這個(gè)區(qū)間內(nèi),各焊料層壽命變化相對(duì)平緩。對(duì)應(yīng)的芯片焊料層壽命為2058771~1867470 次循環(huán),底座焊料層壽命為1026~1049 次循環(huán),分別為無鉬緩沖層結(jié)構(gòu)的2983~2706 倍和1.49~1.52 倍。
結(jié)殼熱阻是衡量功率器件封裝散熱能力的重要指標(biāo)參數(shù),器件的功率容量和熱可靠性都與熱阻相關(guān)。鉬緩沖層的引入會(huì)改變封裝的熱阻,為了探究鉬緩沖層對(duì)熱阻以及封裝可靠性的影響,對(duì)尺寸優(yōu)化后的帶鉬緩沖層封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱機(jī)械仿真。仿真中,將散熱器的散熱作用等效為對(duì)流換熱作用,其等效對(duì)流換熱系數(shù)為2000 W/(m2·℃),環(huán)境溫度為25 ℃。穩(wěn)態(tài)工作下,根據(jù)結(jié)殼熱阻定義:
式中:Rth是器件結(jié)殼熱阻;P是器件耗散功率;Tj為芯片結(jié)溫度;Tc為底座底部的溫度。熱阻計(jì)算結(jié)果如表6 所示,得益于納米銀焊料和銅底座良好的熱導(dǎo)率,Module I 的結(jié)殼熱阻僅為0.201 ℃/W。鉬緩沖層的引入增加了封裝的熱阻,尺寸優(yōu)化后Module II 的結(jié)殼熱阻分別為0.315 ℃/W(H=0.5 mm)和0.352 ℃/W(H=0.7 mm),同比增加56.7%和75.1%。
熱阻的增大使封裝散熱能力下降,進(jìn)而導(dǎo)致芯片結(jié)溫升高。在器件44 W 功耗下,Module I 和Module II 的結(jié)溫和焊料層等效應(yīng)力如表6 所示,其中Module I 的芯片結(jié)溫最低,為145.0 ℃。而鉬緩沖層厚度分別取0.5 mm 和0.7 mm 時(shí),結(jié)溫分別較Module I 增加4.8 ℃和6.5 ℃。在本文進(jìn)行對(duì)比的兩種封裝中,所有材料都具有較大臨界溫度,如熔化溫度和玻璃轉(zhuǎn)換態(tài)溫度。其中為了應(yīng)對(duì)SiC 功率器件的高溫運(yùn)行,納米銀焊料在完成燒結(jié)后可以在超過300 ℃的環(huán)境下工作[17-18],遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于功率器件的典型最高工作溫度(150~175 ℃)和本文的結(jié)溫結(jié)果。
表6 熱阻、結(jié)溫、芯片焊料層應(yīng)力和底座焊料層應(yīng)力仿真結(jié)果Tab.6 Simulation results of thermal resistance,junction temperature,die solder stress and base solder stress
熱膨脹引起的熱應(yīng)力-應(yīng)變是導(dǎo)致器件發(fā)生故障的根源。在相同功耗下,Module I 焊料層最大等效應(yīng)力為35.94 MPa。由于鉬緩沖層的引入緩解了組件之間熱失配的程度,與Module I 焊料層應(yīng)力相比,尺寸優(yōu)化后Module II 芯片焊料層應(yīng)力和底座焊料層應(yīng)力分別降低83.6%~85.1%和17.2%~15.1%。結(jié)果表明鉬緩沖層的引入犧牲了一定程度的熱阻和結(jié)溫,但仍降低了焊料層應(yīng)力,提高了可靠性。
本文采用有限元分析方法,通過熱循環(huán)加速試驗(yàn)仿真分析了兩種碳化硅器件封裝的熱可靠性,以探究鉬緩沖層對(duì)封裝中各組件的影響,結(jié)果表明:
(1)鉬緩沖層的加入為碳化硅芯片提供了緩沖作用,芯片的等效應(yīng)力減少了60.2%,芯片焊料層的等效應(yīng)力減少了46.28%,應(yīng)力恢復(fù)峰從33.47 MPa 降至2.39 MPa,對(duì)芯片金屬化層的影響較小;
(2)焊料層塑性應(yīng)變的積累最終會(huì)導(dǎo)致其開裂。使用基于塑性應(yīng)變的Coffin-Manson 壽命預(yù)測(cè)方程,計(jì)算得到Module I 中芯片焊料層的壽命為690 次循環(huán),而Module II 中芯片焊料層和底座焊料層的壽命分別為952557 次循環(huán)和775 次循環(huán)。引入鉬緩沖層使芯片焊料層疲勞壽命增加了約1380 倍,顯著提高了封裝的可靠性;
(3)緩沖層直徑的增加加劇了組件間熱失配程度,封裝中各組件的熱應(yīng)力-應(yīng)變隨之增加,緩沖層的直徑應(yīng)接近芯片的對(duì)角線長(zhǎng)度。緩沖層厚度的增加增強(qiáng)了其緩沖作用,芯片和芯片焊料層的熱應(yīng)力-應(yīng)變得到改善。緩沖層的最優(yōu)厚度為0.5~0.7 mm,芯片焊料層和底座焊料層疲勞壽命分別為無鉬緩沖層結(jié)構(gòu)的2983~2706 倍和1.49~1.52 倍;
(4)通過穩(wěn)態(tài)熱機(jī)械仿真研究了鉬緩沖層對(duì)熱阻和封裝可靠性的影響。尺寸優(yōu)化后的Module II 結(jié)殼熱阻比Module I 結(jié)殼熱阻分別增加56.7%(H=0.5 mm)和75.1%(H=0.7 mm)。在相同熱功耗下,Module II芯片雖然結(jié)溫升高,但與Module I 相比,其焊料層應(yīng)力和底座焊料層應(yīng)力分別降低83.6%~85.1%和17.2%~15.1%,具有更高的可靠性。
本研究為進(jìn)一步優(yōu)化碳化硅功率模塊的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。