大功率GaN芯片封裝的設(shè)計(jì)與熱分析

張杰， 禹勝林， 馬美銘， 王雨壯

(南京信息工程大學(xué)，南京 210014)

0 前言

當(dāng)前，大功率航空航天電子器件向著微型化、高性能化、高度集成化發(fā)展，導(dǎo)致器件單位體積內(nèi)發(fā)熱量越來(lái)越大[1]。如果溫度過(guò)高，電子元器件的失效率會(huì)呈指數(shù)倍爆增，因此對(duì)于電子元器件來(lái)說(shuō)，封裝的散熱和芯片熱應(yīng)力問(wèn)題就變得至關(guān)重要。相關(guān)研究表明，在飛行器上，每增加1 kg的質(zhì)量，航天器的成本就會(huì)增加50 000英鎊。對(duì)于衛(wèi)星來(lái)說(shuō)更甚，每增加1 g就會(huì)增加高額的成本[2]。同時(shí)，如果封裝的密封性不好，會(huì)造成內(nèi)部化學(xué)污染，加速對(duì)內(nèi)部器件的腐蝕，引起繼電器功能失效，影響封裝的可靠性[3]。

傳統(tǒng)的鎢銅，鉬銅合金封裝，雖然熱學(xué)性能良好，但是密度過(guò)大且進(jìn)行自動(dòng)化封裝時(shí)難以保證其封裝的氣密性，不滿足航天器件封裝的發(fā)展趨勢(shì)。為了獲得熱學(xué)性能優(yōu)越且密度小的電子封裝材料，許多研究者采用新型的制作工藝將Al與低膨脹系數(shù)顆?；旌闲纬尚滦头庋b材料。楊培勇等人[4]采用粉末冶金液相燒結(jié)工藝制備了Si-50%Al(質(zhì)量分?jǐn)?shù))電子封裝材料。Osprey Metal公司[5]采用了噴射沉積技術(shù)及后續(xù)加工技術(shù)研制出了CE系列(Controlled Expansion線膨脹系數(shù)可控)高硅鋁基電子封裝材料，其中包含CE7(Al-70%Si)、CE11(Al-50%Si)、CE17(Al-27%Si)等。硅鋁合金封裝除了具備優(yōu)良的熱學(xué)性能之外，其密度僅為鎢銅鉬銅合金的五分之一。與此同時(shí)，它的電鍍性、成形性、機(jī)加工性、焊接性也十分的優(yōu)良，能夠很好的解決器件加工和密封性問(wèn)題，符合當(dāng)前航空航天技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前，許多學(xué)者對(duì)各種可能影響芯片可靠性的因素進(jìn)行了一系列研究。紀(jì)宣等人[6]研究了在溫度載荷下，GaAs功率芯片共晶焊熱應(yīng)力分析。蔣長(zhǎng)順等人[7]分析了芯片/基板之間的幾何體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)力的影響。劉涵雪等人[8]研究了大功率芯片封裝工藝技術(shù)的粘接層可靠性評(píng)價(jià)，通過(guò)基于能量的Darveaux方法對(duì)粘接層壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。孫磊等人[9]研究了3D封裝芯片焊點(diǎn)的可靠性有限元分析，模擬了三位封裝焊點(diǎn)在熱循環(huán)載荷下的應(yīng)力，解釋封裝結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域。相對(duì)而言，對(duì)于整體的封裝結(jié)構(gòu)研究較少。

文中主要采用高硅鋁合金材料，設(shè)計(jì)一種新型的適用于航空航天的大功率芯片電子器件封裝，其包括外部殼體和內(nèi)部的芯片組件部分。外部殼體采用硅鋁合金材料，具有低膨脹系數(shù)、高熱導(dǎo)率、低密度的特點(diǎn)，使得封裝的熱學(xué)性能更加的優(yōu)越[10],模型內(nèi)部的基板使得芯片散熱性能更好。利用ANSYS軟件對(duì)整體封裝進(jìn)行建模，在相同的溫度載荷下，通過(guò)對(duì)模型不同基板作用下芯片的可靠性進(jìn)行分析，為大功率航空航天芯片的封裝設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 有限元分析仿真

1.1 有限元建模

封裝模型的殼體部分主要采用性能優(yōu)良的高硅鋁合金。模型由下到上依次為第一層CE7(Al-70%Si)，尺寸為12 mm×12 mm×1 mm。第二層材料CE11(Al-50%Si)，此層為“回字形”結(jié)構(gòu)，外部尺寸為12 mm×12 mm×3 mm，內(nèi)部尺寸為10 mm×10 mm×3 mm。第三層為CE17(Al-27%Si)，尺寸12 mm×12 mm×0.2 mm。芯片和基板位于第二層材料腔體內(nèi)，各層尺寸由上到下依次為：芯片尺寸3 mm×3 mm×0.1 mm，AuSn焊料尺寸3 mm×3 mm×0.08 mm，基板尺寸9.8 mm×9.8 mm×0.5 mm，SnPb焊料尺寸9.8 mm×9.8 mm×0.05 mm，基板和模型的第一層材料以SnPb焊料相連，以此建立模型。模型切面圖如圖1所示。模型中芯片采用氮化鎵材料，基板依次使用AlN，Al2O3，聚四氟乙烯(PTFE)3種材料，建立3種封裝模型。各層材料的特性參數(shù)見(jiàn)表1[2]。

圖1 模型剖面示意圖

表1 模型材料熱性能參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分

ANSYS Workbench軟件中網(wǎng)格劃分技術(shù)主要分為四面體劃分法(Tetrahedrons)、自動(dòng)劃分法(Automat-ic)、笛卡爾法(Cartesian)、六面體主體法(Hex Dominant)等[11]。最常用的網(wǎng)格劃分方法是四面體和六面體劃分，該模型采用六面體劃分法進(jìn)行模型網(wǎng)格的劃分，同時(shí)設(shè)置網(wǎng)格的大小為0.5 mm，生成有限元網(wǎng)格模型，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

1.3 施加載荷

文中主要是對(duì)模型進(jìn)行熱分析，施加溫度載荷參照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-883C，條件如圖3所示。施加的溫度范圍是-55～125 ℃[12]，將溫度載荷施加在芯片上，同時(shí)設(shè)置10 ℃/min上升或下降，當(dāng)溫度到達(dá)最大或最小時(shí)保持30 min，經(jīng)過(guò)10個(gè)溫度循環(huán)[13]，對(duì)比芯片所受的熱應(yīng)力、熱應(yīng)變情況。

圖3 溫度循環(huán)加載

2 結(jié)果分析

2.1 等效塑性應(yīng)變

等效塑性應(yīng)變(Equivalentelastic strain)是用來(lái)確定材料經(jīng)過(guò)強(qiáng)化后屈服面的位置的物理量，通過(guò)這一參數(shù)，可以找到其塑性屈服后應(yīng)變狀態(tài)對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力和此時(shí)結(jié)構(gòu)的空間應(yīng)力狀態(tài)，可以為模型的可靠性提供依據(jù)[14]。

根據(jù)圖4及表2的數(shù)據(jù)可以看出，在等效塑性應(yīng)變方面，最大塑性應(yīng)變出現(xiàn)芯片接近頂角的位置，當(dāng)AlN作為模型的基板時(shí)，模型的應(yīng)變最小為137.71 nm，Al2O3次之，基板為PTFE時(shí)最大，為422.54 nm。從塑性應(yīng)變的角度來(lái)說(shuō)，以AlN為基板的模型可靠性要優(yōu)于其他2種模型。

表2 模型等效塑性應(yīng)變 nm

圖4 芯片等效塑性應(yīng)變

2.2 等效應(yīng)力

等效應(yīng)力(Equivalent stress)是應(yīng)力和初始屈服強(qiáng)度的比值，當(dāng)材料所受的最大拉應(yīng)力達(dá)到材料所能承受的最大值，則材料斷裂，從這一參量可以很直觀的看出模型的在溫度載荷的作用下的受力情形[15]。根據(jù)圖5中模型中芯片應(yīng)力的分布情況可以看出，芯片所受到的熱應(yīng)力主要集中在接近4個(gè)頂角的位置。從表3的數(shù)據(jù)可以看出，在等效應(yīng)力方面，當(dāng)基板材料為AlN時(shí)，芯片所受應(yīng)力最小為28.838 MPa。Al2O3為基板時(shí)次之。當(dāng)基板為PTFE時(shí)，芯片所受到的應(yīng)力值為87.916 MPa，為3種模型中最大，約為前兩種模型的3倍。

表3 模型等效應(yīng)力比較 MPa

圖5 芯片等效應(yīng)力

由3種模型中芯片熱應(yīng)力情況可以得出，AlN作為模型的基板材料時(shí)，由于AlN的熱學(xué)性能優(yōu)于其他2種材料，使模型中芯片的散熱性更好。當(dāng)施加相同的溫度載荷后，芯片所受到的應(yīng)力最小，可靠性更高。

3 結(jié)論

(1)所設(shè)計(jì)的大功率GaN封裝模型，通過(guò)ANSYS workbench仿真軟件，經(jīng)過(guò)10個(gè)溫度載荷，得出模型中GaN芯片的最大應(yīng)變和最大應(yīng)力出現(xiàn)在芯片接近于4個(gè)頂角的位置。

(2)3種模型中，以AlN為基板的模型，芯片受到的應(yīng)力為28.838 MPa，應(yīng)變?yōu)?37.71 nm，皆為3種模型中的最小。在相同的條件下，從更優(yōu)越的等效塑性應(yīng)變值及更低的等效應(yīng)力值，可以看出AlN為基板時(shí)，模型相較于其他2種模型擁有更加好的可靠性，更加適合大功率GaN芯片的封裝。

(3)文中設(shè)計(jì)的高硅鋁合金電子封裝，在具有鎢銅、鉬銅封裝材料的高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)的特性之外，還具有低密度且機(jī)加工性好的特點(diǎn)。使得航空航天電子封裝在保持原有的優(yōu)良特性之外，能夠在一定程度上減輕封裝器件的質(zhì)量，減少成本。由于其加工性良好，更易于加工焊接，符合當(dāng)今航天電子器件封裝的發(fā)展趨勢(shì)，為新型電子復(fù)合材料封裝提供了一定的數(shù)據(jù)支持。