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銅基板緩沖層對功率電子模塊熱應力的影響
來源: | 作者:陳清華 | 發布時間: 2018-04-02 | 10037 次瀏覽 | 分享到:

  本文提出對一種帶有應力緩沖層的新型銅基板,這種帶有應力緩沖層的銅基板不僅能保留銅基板優良的熱傳到性能和價格相對低廉的特性,而且能有效降低功率模塊內部的熱應力。通過數值模擬計算發現:緩沖層能夠有效降低芯片模塊熱應力,緩沖層厚度變化對芯片和陶瓷層應力影響不大,隨著緩沖材料厚度的增加芯片和陶瓷層熱應力略有增;緩沖層材料的熱膨脹系數越小,應力緩沖效果越明顯;對于鎢銅合金材料,隨著組分銅含量的增加,芯片層和陶瓷層熱應力呈緩慢上升趨勢,緩沖材料的緩沖逐漸效果變差;梯度過度緩沖材料能夠進一步降低封裝模塊的熱應力,能有效消除芯片兩端的應力突變,使得應力分布較為均勻平緩。

 

 引言

IGBT等功率電子模塊,在運行過程中存在功率損耗,損失的電能以熱的形式耗散到周圍的環境當中。由于半導體材料對溫度反應敏感,一旦散熱不充分便會造成設備性能下降,甚至造成模塊燒毀。此外,功率模塊是由多種不同的材料通過疊加封裝而成(如圖1),各層材料性質不同,具有不同的導熱系數、比熱容、泊松比以及熱膨脹系數,當發生溫度變化時,各層面之間由于熱膨脹系數不同而產生的周期性熱應力,能使焊料開裂、引腳脫落、陶瓷層以及芯片破裂,從而導致芯片失效。



因此,需要采取有效方法緩解功率模塊工作時,由于溫度變化而造成的熱應力。目前采用的方法,一是通過增強芯片散熱,降低芯片溫升,從而減小功率模塊內部的熱應力;二是選用熱膨脹系數匹配的封裝基板,如:AlSiC復合材料和銅鎢合金等。與目前廣泛使用的銅基板相比,AlSiC復合材料和銅鎢合金熱膨脹系數更接近DBC陶瓷和Si芯片材料,能有效減小功率模塊內部的熱應力;但AlSiC和銅鎢合金基板價格不僅比銅基板高,而且它們的導熱系數也比銅導熱系數低。因此,AlSiC和銅鎢合金基板很難像銅基板一樣得到廣泛應用。

 

本文提出對一種帶有應力緩沖層的新型銅基板,這種帶有應力緩沖層的銅基板不僅能保留銅基板優良的熱傳到性能和價格相對低廉的特性,而且能有效降低功率模塊內部的熱應力。本文將對不同材料的應力緩沖層的銅基板進行數值模擬計算,分析不同應力緩沖層對功率模塊內部芯片和DBC陶瓷層受到的熱應力變化規律。

Infineon Hybridpack2模塊為例,分析緩沖層材料、厚度和結構因素對芯片和DBC陶瓷層熱應力的影響。分析計算幾何模型如圖2所示。




模型參數設定如下:

1)熱載荷:Infineon Hybridpack2模塊芯片總熱耗散1500W,芯片總體積:25*25*0.3*6=1125mm3,,所以芯片內熱源為1500W/1125mm3=1.33W/mm3;

2)邊界條件:Infineon Hybridpack2翅柱式冷板冷卻液為75℃,故設定基板底面溫度同為75℃,芯片封裝模塊與周圍環境存在對流換熱。

3)Infineon Hybridpack2模塊材料熱力學及力學參數如表1所示:



硅材料芯片導熱系數隨著溫度的變化采用Kokkas A G[35]提出的計算公式進行計算:


式中A、B為常數,A=320,B=80,由此,可以根據不同的溫度條件由關系式通過求解得到芯片的導熱系數。

首先利用商業軟件建立所要計算的幾何模型,設定熱力學條件和材料參數并劃分網格進行計算,得到模型的穩態溫度分布場;將計算得到的溫度場傳遞到應力場分析求解得到芯片封裝模型的應力場分布。

結果討論

1緩沖層模塊熱應力的影響

添加緩沖層的目的在于吸收傳至陶瓷層和芯片層的熱應力,基本作用原理就是采用熱膨脹系數較小的材料置于熱膨脹系數較大的銅層與陶瓷層或芯片層之間,吸收銅層過大的應變量,使之不會過多的傳遞至陶瓷層和芯片層,從而減小對芯片和陶瓷層的過渡拉伸作用,起到緩沖和保護效果。

計算采用的應力緩沖材料為WCu20,即銅質量分數為20%的鎢銅合金,其相關參數如表2所示。



計算得到其應力分布云圖如圖3所示.為了直觀的比較添加緩沖層和不添加緩沖層時芯片層和陶瓷層的應力改善情況,沿A-A、B-B分別提取芯片層和陶瓷層中間部位的應力分布,并與不添加緩沖層時的中間部位應力分布進行對比,如圖4和圖5所示。








通過曲線可以發現,在基板上方添加緩沖層后,芯片層和陶瓷層的應力均得到顯著下降,去除各層材料兩端的應力奇變現象求取平均值發現芯片的熱應力下降幅度達41.6%,陶瓷層的熱應力下降達到30.9%,即在整個封裝結構中,銅基板上方添加熱膨脹系數較小的緩沖層能夠有效減小模塊的熱應力。

2不同厚度緩沖材料對模塊熱應力的作用效果

對于緩沖層厚度對模塊封裝熱應力的影響,采用WCu20合金作為緩沖材料,取其厚度依次為0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm0.5mm。以芯片層中間應力和陶瓷層中間應力分布情況作為研究對象,仿真所得結果如圖6和圖7所示。






由圖可知,緩沖層的厚度并不會對芯片和陶瓷層應力分布造成顯著影響和改變,隨著緩沖材料厚度增加芯片和陶瓷層的熱應力略有增加,但并不會增加過多。在芯片層和陶瓷層兩端部位熱應力會發生突變,先升高后急劇下降,應力梯度較大,容易受到疲勞應力的損傷。由此,可以得到結論:緩沖層的添加能夠有效的減小模塊的封裝熱應力,在選用某一種緩沖材料的時候應盡可能降低其厚度,較薄的厚度可以減少導熱熱阻、節省材料并且可以小幅度的降低各封裝層的熱應力,但是厚度也不宜過薄,過薄的厚度不利于焊料的焊接,容易造成邊角處開裂。因此,在后續的分析中依然選用厚度為0.2mm的熱應力緩沖層。

3不同種類緩沖材料對模塊熱應力的影響

不同種類的材料對應不同的材料性能參數,在熱應力的研究過程中我們主要關注材料的導熱性能、材料的彈性模量以及材料的熱膨脹系數。在整個封裝結構中,緩沖層應該具有優良的延展性或較小的熱膨脹系數,為了比較不同種類和組分材料在熱應力緩沖方面的性能,本小結依次對比分析了鎢(W)、鉬(Mo)、鎳(Ni)、銀(Ag)、金(Au)和12中不同配比的鎢銅合金共17種緩沖材料在封裝結構中對熱應力的緩沖效果,各材料參數如表3所示,同樣以芯片中心部位和陶瓷層中心部位的熱應力作為研究對象,緩沖材料厚度保持0.2mm不變,計算得到圖8、圖9所示結果。





圖中結果顯示材料鎢的效果最佳,可使芯片層的熱應力達到最小,材料鎳的緩沖效果最差,因為鎳的熱膨脹系數要比鎢的熱膨脹系數大很多。在鎢、鉬、鎳、銀、金5種材料中,對封裝結構熱應力的緩沖效果由強到弱依次為鎢、鉬、金銀、鎳,主要原因在于材料的熱膨脹系數,越小的熱膨脹系數會獲得越好的應力緩沖效果。



觀察陶瓷層中間橫向熱應力分布發現:陶瓷層中間熱應力略大于兩端熱應力,整個陶瓷層中間部位的熱應力呈M”分布,在陶瓷層的兩端同樣會發生應力突變現象。不同材料對模塊熱應力的影響趨勢與在芯片層中分析得到的結論相類似,材料鎢的應力緩沖效果最佳,材料鎳的緩沖效果最差。

對于不同配比的鎢銅合金作為熱應力緩沖材料,組分的不同會改變材料的力學參數。為了更明了的觀察其中的差異和關系,特截取不同緩沖材料情況下芯片層中間部位的熱應力平均值和陶瓷層中間部位的熱應力平均值如圖10和圖11所示。




10和圖11表明不同材料作為熱應力緩沖材料的緩沖效果,當采用鎢銅合金作為熱應力緩沖材料的時候可以看出,隨著組分銅含量的增加,芯片層和陶瓷層的熱應力呈緩慢上升趨勢,緩沖材料的緩沖效果逐漸變差。

4梯度漸變緩沖材料對模塊熱應力的影響

利用緩沖材料梯度過渡的方式來減小緩沖層兩端的熱應力梯度,采用方法如下圖12所示,在基板上方均勻涂覆三層厚度各為0.1mm的應力緩沖材料,由基板向芯片方向依次為WCu60、WCu40以及WCu20,熱膨脹系數符合由銅基板向陶瓷層方向依次減小的變化趨勢,從而能夠起到應力緩沖過渡的作用。



陶瓷層和芯片層中間部位的熱應力如圖13和圖14所示。




13和圖14表明三層梯度緩沖材料能夠進一步降低封裝模塊的熱應力,特別是芯片的熱應力,下降幅度可到50%以上,最為有意義的一點是該三層過度應力緩沖材料能夠有效的消除芯片兩端的應力突變,使得應力分布均勻而平緩,可以有效的防止芯片邊角的焊料開裂和分層。

 

從芯片封裝結構的安全性和可靠性出發研究了芯片封裝結構對熱應力的影響,模擬計算發現緩沖層的存在能夠有效降低芯片模塊熱應力,主要結論如下:

1)緩沖層厚度并不會對芯片和陶瓷層應力分布造成顯著影響和改變,隨著緩沖材料厚度的增加芯片和陶瓷層熱應力略有增加。

2)在鎢、鉬、鎳、銀、金5種材料中對封裝結構熱應力的緩沖效果由強到弱依次為鎢、鉬、金、銀、鎳,越小的熱膨脹系數可以獲得越好的應力緩沖效果;采用鎢銅合金作為熱應力緩沖材料時,隨著組分銅含量的增加,芯片層和陶瓷層熱應力呈緩慢上升趨勢,緩沖材料的緩沖逐漸效果變差。

3)三層梯度過度緩沖材料能夠進一步降低封裝模塊的熱應力,特別是芯片的熱應力,下降幅度可達50%以上,可以有效消除芯片兩端的應力突變,使得應力分布較為均勻平緩。

 


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