IGBT功率模塊封裝可靠性研究.pdf

1、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）現(xiàn)已成為功率半導(dǎo)體器件主流，是實(shí)現(xiàn)電能變換和控制的技術(shù)關(guān)鍵，其廣泛應(yīng)用離不開可靠的封裝。IGBT功率模塊封裝涉及熱學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、材料等多學(xué)科交叉，其可靠性研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)對功率模塊失效理論發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)化意義重大。迫切需要深入研究IGBT功率模塊的失效機(jī)理，分析封裝材料、工藝、結(jié)構(gòu)等因素對模塊可靠性的影響。本論文圍繞IGBT功率模塊封裝可靠性相關(guān)問題，對影響IGBT模塊可靠性的幾個因素（絕緣基板、焊料層、散熱）

2、開展可靠性試驗(yàn)研究和分析，并在此基礎(chǔ)上以提高可靠性為目的提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。
　　首先，通過熱循環(huán)試驗(yàn)及失效分析闡明直接敷銅（DBC）基板的失效模式，理論分析 DBC基板的失效機(jī)理，建立基于應(yīng)力強(qiáng)度因子及最大切向應(yīng)力理論的DBC基板界面裂紋曲折破壞準(zhǔn)則。分別通過解析方法及數(shù)值方法計(jì)算DBC基板熱應(yīng)力強(qiáng)度因子，應(yīng)用所建立的破壞準(zhǔn)則分析裂紋從銅-陶瓷界面奇點(diǎn)萌生后向陶瓷內(nèi)部擴(kuò)展的過程。試驗(yàn)、理論分析及有限元仿真三者得出的結(jié)論相吻合

3、，證實(shí)所建立的界面裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則的合理性。
　　其次，提出一種采用梯度銅層結(jié)構(gòu)的DBC基板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，采用等效電容法測得的熱循環(huán)壽命統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)能夠有效提高DBC基板可靠性；建立梯度銅層DBC基板的熱機(jī)械耦合仿真模型，采用修正的超低周疲勞壽命預(yù)測模型對該基板進(jìn)行熱循環(huán)壽命預(yù)測，預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符；通過基于有限元仿真的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法分析基板結(jié)構(gòu)參數(shù)對基板應(yīng)力分布及熱循環(huán)壽命的影響，優(yōu)化梯度銅層DBC基板的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　

4、　再次，通過IGBT功率模塊大面積焊接試樣熱循環(huán)試驗(yàn)和失效分析，闡明焊料熱疲勞失效模式；建立焊接試樣熱機(jī)械耦合模型分析熱循環(huán)過程中焊料的應(yīng)力應(yīng)變情況；采用基于應(yīng)變及基于能量的壽命預(yù)測模型預(yù)測焊料疲勞壽命，預(yù)測結(jié)果均與試驗(yàn)相符。通過超聲掃描顯微鏡觀察焊料層空洞在熱循環(huán)過程中的演化，采用有限元熱分析建立芯片結(jié)溫與空洞率或空洞分布的函數(shù)關(guān)系。建立回流焊接工藝動態(tài)熱機(jī)械耦合仿真模型，通過基于有限元仿真的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析焊接結(jié)構(gòu)多個參數(shù)對模塊應(yīng)

5、力分布及翹曲的影響，從而優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)，提高功率模塊可靠性。
　　最后，應(yīng)用微通道技術(shù)實(shí)現(xiàn)大功率IGBT模塊主動散熱，建立計(jì)算流體動力學(xué)模型和熱機(jī)械耦合仿真模型，分析底板預(yù)置微通道的IGBT功率模塊的熱機(jī)械性能，包括模塊工作狀態(tài)下的溫度分布、回流工藝后的殘余應(yīng)力和翹曲、工作狀態(tài)下的應(yīng)力和翹曲；仿真所得翹曲結(jié)果與三坐標(biāo)儀測量結(jié)果一致。底板預(yù)置微通道的IGBT模塊工作狀態(tài)下翹曲幾乎為零。通過有限元參數(shù)化分析求得銅底板和焊料層的厚度對硅芯