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)已成為功率半導體器件主流，是實現(xiàn)電能變換和控制的技術(shù)關(guān)鍵，其廣泛應用離不開可靠的封裝。IGBT功率模塊封裝涉及熱學、電學、力學、材料等多學科交叉，其可靠性研究及優(yōu)化設(shè)計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的優(yōu)化設(shè)計方案。
　　首先，通過熱循環(huán)試驗及失效分析闡明直接敷銅（DBC）基板的失效模式，理論分析 DBC基板的失效機理，建立基于應力強度因子及最大切向應力理論的DBC基板界面裂紋曲折破壞準則。分別通過解析方法及數(shù)值方法計算DBC基板熱應力強度因子，應用所建立的破壞準則分析裂紋從銅-陶瓷界面奇點萌生后向陶瓷內(nèi)部擴展的過程。試驗、理論分析及有限元仿真三者得出的結(jié)論相吻合

3、，證實所建立的界面裂紋擴展準則的合理性。
　　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)計方案，采用等效電容法測得的熱循環(huán)壽命統(tǒng)計結(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基板的熱機械耦合仿真模型，采用修正的超低周疲勞壽命預測模型對該基板進行熱循環(huán)壽命預測，預測結(jié)果與試驗結(jié)果相符；通過基于有限元仿真的試驗設(shè)計方法分析基板結(jié)構(gòu)參數(shù)對基板應力分布及熱循環(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)試驗和失效分析，闡明焊料熱疲勞失效模式；建立焊接試樣熱機械耦合模型分析熱循環(huán)過程中焊料的應力應變情況；采用基于應變及基于能量的壽命預測模型預測焊料疲勞壽命，預測結(jié)果均與試驗相符。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)熱機械耦合仿真模型，通過基于有限元仿真的正交試驗設(shè)計，分析焊接結(jié)構(gòu)多個參數(shù)對模塊應

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，應用微通道技術(shù)實現(xiàn)大功率IGBT模塊主動散熱，建立計算流體動力學模型和熱機械耦合仿真模型，分析底板預置微通道的IGBT功率模塊的熱機械性能，包括模塊工作狀態(tài)下的溫度分布、回流工藝后的殘余應力和翹曲、工作狀態(tài)下的應力和翹曲；仿真所得翹曲結(jié)果與三坐標儀測量結(jié)果一致。底板預置微通道的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