塑封功率器件中Cu-EMC界面分層失效的實驗與計算分析研究.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十至數千安，電壓為數百伏以上。由于其高功率應用的特點，功率器件對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，同時也對Cu和EMC接觸界面的特性敏感。例如在潮濕環(huán)境中，濕氣會從Cu/

2、EMC界面邊緣擴散至界面中的微孔隙，導致界面抵抗分層的能力下降，并在高溫回流過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界面出現分層失效，并進一步影響到內部的芯片層。另一方面，Cu表面的特性也會影響Cu/EMC界面的粘接強度，使分層易于發(fā)生。在塑封功率器件中，Cu/EMC分層失效問題較為普遍。針對該問題，本文對Cu/EMC界面進行了兩個方面的探討：一是對Cu/EMC界面吸濕后的性能進行研究；二是對Cu表面不同氧化程度對

3、Cu/EMC界面性能的影響進行研究。進而對銅引線框架氧化工藝和器件存放過程中的濕熱老化過程的控制和條件提出改進措施。
　　本文采用有限元模擬與界面強度、斷裂實驗相結合的方法對Cu/EMC分層問題進行研究，主要研究了以下幾個方面的內容：
　　首先對典型的實際功率器件進行有限元分析，建立三維模型，按照JEDEC熱循環(huán)實驗標準，計算環(huán)境溫度變化范圍-45℃～125℃時，器件內溫度、應力和應變隨時間的變化關系。結果顯示，在Cu/EM

4、C界面上應力較大，高應力可能導致Cu/EMC界面分層破壞。
　　為保證Cu/EMC界面樣品與實際器件相同，樣品均按照實際生產工藝條件制備，只是內部不包含芯片和焊料層。然后，進一步研究Cu/EMC界面剪切強度隨銅在165℃下純氧氧化時間、以及85℃/85RH條件下濕熱老化時間各自的變化規(guī)律。Cu/EMC界面隨Cu板氧化時間先增加，后下降，最后趨于不穩(wěn)定。對于濕熱老化處理的樣品，剪切強度先迅速下降后趨于穩(wěn)定。對界面的觀察也發(fā)現分層界面

5、形貌隨Cu氧化時間、EMC吸濕條件而變化。根據實驗結果，本文提出了最優(yōu)的氧化處理時間為8分鐘，樣品存放條初期24小時內濕熱產生的影響最大。
　　為研究Cu表面氧化及濕熱對Cu/EMC界面分析斷裂的影響，將樣品經過銅氧化或濕熱處理后，制備微小預裂紋，對樣品進行剪切實驗，通過最大剪切力和樣品實際尺寸，用有限元方法計算得到裂紋尖端的臨界J積分，Jc。發(fā)現Jc隨氧化和濕熱處理時間變化的規(guī)律與剪切強度隨二者變化規(guī)律有著相同的趨勢。對于實際器

6、件結構，當承受溫度荷載時，計算了Cu/EMC界面不同位置的J積分值，發(fā)現J積分較大的位置與SAM觀察結果中分層最明顯的位置一致。并且，對同一位置分析了預裂紋長度和溫度對界面裂紋擴展的影響。
　　通過上述研究，根據模擬分析結果確定了功率器件內最易分層的部位--Cu/EMC界面；通過Cu/EMC界面強度、斷裂實驗和模擬分析，發(fā)現銅板氧化時間、吸濕程度對Cu/EMC界面強度影響顯著，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