塑封功率器件中Cu-EMC界面分層失效的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算分析研究.pdf

1、隨著電子封裝向小型化、高密度發(fā)展，功率器件的封裝形式也向著小型化、多樣化、高集成度發(fā)展。功率器件常用于電能變換和電能控制電路中，通常器件中電流為數(shù)十至數(shù)千安，電壓為數(shù)百伏以上。由于其高功率應(yīng)用的特點(diǎn)，功率器件對(duì)于封裝可靠性有著特殊要求。在功率器件中，銅引線框架(Cu)和環(huán)氧模塑料(EMC)有較大的接觸面積，且二者的界面邊緣與空氣接觸，易受外界環(huán)境中濕熱等因素的影響，同時(shí)也對(duì)Cu和EMC接觸界面的特性敏感。例如在潮濕環(huán)境中，濕氣會(huì)從Cu/

2、EMC界面邊緣擴(kuò)散至界面中的微孔隙，導(dǎo)致界面抵抗分層的能力下降，并在高溫回流過(guò)程中器件中的濕汽發(fā)生氣化膨脹形成高的蒸氣壓力，使Cu/EMC界面出現(xiàn)分層失效，并進(jìn)一步影響到內(nèi)部的芯片層。另一方面，Cu表面的特性也會(huì)影響Cu/EMC界面的粘接強(qiáng)度，使分層易于發(fā)生。在塑封功率器件中，Cu/EMC分層失效問(wèn)題較為普遍。針對(duì)該問(wèn)題，本文對(duì)Cu/EMC界面進(jìn)行了兩個(gè)方面的探討：一是對(duì)Cu/EMC界面吸濕后的性能進(jìn)行研究；二是對(duì)Cu表面不同氧化程度對(duì)

3、Cu/EMC界面性能的影響進(jìn)行研究。進(jìn)而對(duì)銅引線框架氧化工藝和器件存放過(guò)程中的濕熱老化過(guò)程的控制和條件提出改進(jìn)措施。
　　本文采用有限元模擬與界面強(qiáng)度、斷裂實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)Cu/EMC分層問(wèn)題進(jìn)行研究，主要研究了以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：
　　首先對(duì)典型的實(shí)際功率器件進(jìn)行有限元分析，建立三維模型，按照J(rèn)EDEC熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算環(huán)境溫度變化范圍-45℃～125℃時(shí)，器件內(nèi)溫度、應(yīng)力和應(yīng)變隨時(shí)間的變化關(guān)系。結(jié)果顯示，在Cu/EM

4、C界面上應(yīng)力較大，高應(yīng)力可能導(dǎo)致Cu/EMC界面分層破壞。
　　為保證Cu/EMC界面樣品與實(shí)際器件相同，樣品均按照實(shí)際生產(chǎn)工藝條件制備，只是內(nèi)部不包含芯片和焊料層。然后，進(jìn)一步研究Cu/EMC界面剪切強(qiáng)度隨銅在165℃下純氧氧化時(shí)間、以及85℃/85RH條件下濕熱老化時(shí)間各自的變化規(guī)律。Cu/EMC界面隨Cu板氧化時(shí)間先增加，后下降，最后趨于不穩(wěn)定。對(duì)于濕熱老化處理的樣品，剪切強(qiáng)度先迅速下降后趨于穩(wěn)定。對(duì)界面的觀察也發(fā)現(xiàn)分層界面

5、形貌隨Cu氧化時(shí)間、EMC吸濕條件而變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文提出了最優(yōu)的氧化處理時(shí)間為8分鐘，樣品存放條初期24小時(shí)內(nèi)濕熱產(chǎn)生的影響最大。
　　為研究Cu表面氧化及濕熱對(duì)Cu/EMC界面分析斷裂的影響，將樣品經(jīng)過(guò)銅氧化或濕熱處理后，制備微小預(yù)裂紋，對(duì)樣品進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，通過(guò)最大剪切力和樣品實(shí)際尺寸，用有限元方法計(jì)算得到裂紋尖端的臨界J積分，Jc。發(fā)現(xiàn)Jc隨氧化和濕熱處理時(shí)間變化的規(guī)律與剪切強(qiáng)度隨二者變化規(guī)律有著相同的趨勢(shì)。對(duì)于實(shí)際器

6、件結(jié)構(gòu)，當(dāng)承受溫度荷載時(shí)，計(jì)算了Cu/EMC界面不同位置的J積分值，發(fā)現(xiàn)J積分較大的位置與SAM觀察結(jié)果中分層最明顯的位置一致。并且，對(duì)同一位置分析了預(yù)裂紋長(zhǎng)度和溫度對(duì)界面裂紋擴(kuò)展的影響。
　　通過(guò)上述研究，根據(jù)模擬分析結(jié)果確定了功率器件內(nèi)最易分層的部位--Cu/EMC界面；通過(guò)Cu/EMC界面強(qiáng)度、斷裂實(shí)驗(yàn)和模擬分析，發(fā)現(xiàn)銅板氧化時(shí)間、吸濕程度對(duì)Cu/EMC界面強(qiáng)度影響顯著，由此提出最佳的銅氧化工藝條件和樣品存放條件；采用J積分