功率模塊的三維封裝垂直互連可靠性有限元分析.pdf

1、功率模塊是電力電子系統(tǒng)中最重要的構(gòu)成組件之一。近年來隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)、新型電子材料技術(shù)和封裝互連技術(shù)的快速發(fā)展，特別是隨著系統(tǒng)級封裝概念的提出，人們對功率模塊的封裝技術(shù)提出了更高的要求。與平面封裝相比，在采用基板間垂直互連技術(shù)的三維系統(tǒng)級封裝的功率模塊中，互連焊點不僅起到電氣互連的作用，而且還對疊層結(jié)構(gòu)提供足夠的機械支撐，需要承受機械沖擊、振動等情況產(chǎn)生的可靠性問題。此外由于封裝密度的提高，電路產(chǎn)熱更加難以耗散，互連焊點

2、還要承受較大的熱失配應(yīng)力。這些都對互連焊點的可靠性提出了更高的要求。小尺寸、高性能、高可靠性的功率模塊封裝技術(shù)，無論在民用用途還是在航空航天等軍用用途中都有著舉足輕重的作用。特別是對于可靠性要求更高、環(huán)境更加苛刻的航天電子領(lǐng)域，功率模塊的三維系統(tǒng)級封裝的垂直互連可靠性至關(guān)重要。
　　本文利用有限元模擬的方法，基于ANSYS15.0有限元仿真平臺對功率模塊的三維系統(tǒng)級封裝垂直互連環(huán)節(jié)的熱循環(huán)和恒定加速度試驗可靠性進行了研究。首先研究

3、了釬料的粘塑性特性，之后基于APDL（ANSYS Parameter Design Language）參數(shù)化設(shè)計語言對封裝結(jié)構(gòu)進行了參數(shù)化建模，研究了封裝結(jié)構(gòu)在熱循環(huán)試驗中的溫度分布、變形規(guī)律、應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律及焊點壽命預(yù)測，同時分析了該結(jié)構(gòu)在恒定加速度試驗中的變形規(guī)律及應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律，最后對三維封裝結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計優(yōu)化并給出了優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　研究結(jié)果表明：在熱循環(huán)過程中封裝結(jié)構(gòu)發(fā)生周期性變形，上層焊球主要受到轉(zhuǎn)接板傾斜變

4、形以及上層基板的彎曲變形的作用，中部位置的應(yīng)力值高于邊角位置；下層焊球主要受到轉(zhuǎn)接板傾斜變形以及轉(zhuǎn)接板與DBC（Direct Bonded Copper）基板間熱膨脹系數(shù)差異的作用，邊角位置的應(yīng)力值高于中部位置。封裝互連危險焊點在下層焊球的邊角處，應(yīng)力集中在焊球與DBC基板之間的界面處。雙層焊球在每個循環(huán)內(nèi)的最大等效應(yīng)力值在逐漸提高，高溫階段的應(yīng)力松弛明顯大于低溫階段，高溫階段的塑性應(yīng)變升高幅度大于低溫階段。恒定加速度試驗中封裝互連危險

5、焊點在上層焊球的邊角處，應(yīng)力集中在焊球與上層基板之間的界面處。最大等效應(yīng)力發(fā)生在加速階段結(jié)束后，最大等效塑性應(yīng)變發(fā)生在勻速階段結(jié)束后，等效塑性應(yīng)變能密度在減速階段結(jié)束后達到最高。封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中發(fā)現(xiàn)，形狀“瘦高”（焊球直徑較小、高度較高、焊盤直徑較大）的焊球的熱循環(huán)壽命更高，尺寸較大（焊球直徑、焊球高度、焊盤直徑均較大）的焊球在恒定加速度試驗中的可靠性更好。依此選擇了最優(yōu)化的模型參數(shù)，計算結(jié)果表明優(yōu)化的模型的熱循環(huán)和恒定加速度可靠性得