鉬緩沖層對(duì)SiC 功率器件封裝可靠性的影響

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。

1 有限元模型和材料參數(shù)

1.1 有限元模型

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

1.2 仿真方法

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。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱循環(huán)模擬

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。

2 結(jié)果與討論

2.2 壽命計(jì)算

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。

3 響應(yīng)面曲線分析

3.1 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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

3.2 響應(yīng)面曲線分析

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。

4 穩(wěn)態(tài)熱機(jī)械仿真

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。

5 結(jié)論

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。