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37500字职称论文电子封装中SnPbAg焊料层热循环安全性的研究。

论文类型:职称论文
论文字数:37500字
论点:功率,芯片,循环
论文概述:

本文为电子论文,主要论述功率器件封装中的芯片贴装,实验结果分析,三维有限元模拟和C-M方程失效寿命估计,几何构型与材料参数,SnPb焊料合金Analld本构方程。

论文正文:

第一章概述

 1.1集成电路的发展..................... 1.2集成电路封装集成电路的飞速发展同集成电路封装的快速进步是分不开的。因为各种不同的芯片之间及芯片与外部的电路和器件之间的连接必须由电路引线和封装来完成,同时封装能保护芯片免受外界的干扰和破坏,保证芯片及由芯片和外围电路、器件组成的系统能够正常稳定地工作。功率的输入、输出端同外界的过渡手段;(3)散热;(4)保护器件不受外界环境的影响。因此集成电路封装是指将具有一定功能的电子器件芯片,放置在一个与之相适应的外壳容器中,为芯片提供一个稳定可靠的工作环境;同时,封装也是芯片各个输出、输入端的向外过渡的连接手段,以及起将器件工作所产生的热量向外扩散的作用,从而形成一个完整的整体,并通过一系列的性能测试、筛选和各种环境、气候、机械的实验,来确保器件的质量,使之具有稳定、正常的功能「3]。....... 1.3功率器件封装中的芯片贴装 1.3.1功率模块在电子产品中,包括功率元件如绝缘栅半导体(IGBT)的封装模块通常称之为功率模块。功率模块的封装主要由基板(Baseplate),隔离层(Isolationlayer),金属化层(Metallization),硅芯片,功率/控制及信号的引脚和封装外壳组成。其中电隔离层的材料主要是陶瓷材料,如A12o、和AIN,在功率封装中称为功率衬底,和基板(如铜)相连起电绝缘和散热的作用。在电子封装中,芯片和器件外部的电、热和机械连接通常是利用焊料形成焊点来实现。例如功率芯片与散热片(HeatSink,一般采用具有良好导热性能的铜及其合金)之间的芯片贴装(DicAttachment);器件与外围电路(如基板)的电学(机械)连接;芯片直接与基板及其他芯片的连接(例如FliPChip)等[8」。本论文的重点即在研究功率芯片贴装中焊点的可靠性问题,它也是高密度汽车电子封装可靠性研究领域中的一个重要方面。对于功率模块来说,大部分的器件(芯片)在工作电流接通时仅有有限的电压降,而且开关的速度很快,因此在器件中消耗的功率就很大。因此,要保证这些器件或设备能安全工作,必须要有良好的散热能力。例如,对一个燃料电池驱动的发动机中典型的IGBT功率控制模块,所控制发动机功率的4%要转化为器件中的热能散发掉,也就是说,一个输出功率为50马力的发动机,功率芯片模块上产生的热将约为巧oow[9]。图l一4是一种用燃料电池驱动的汽车中DC/AC功率转换器的芯片电路示意图,表1一1列出了它的工作参数和设计参数{10)。所以对于功率模块来说,要使产生的热量能够尽快散发出去,采用导热性能良好的基板和芯片基板间的贴装材料是一个关键的问题。另外,由于温度的变化和各种材料间热膨胀的失配而引起在芯片、焊层和基板中产生的热应力的积累,而最终造成封装器件的失效也是很严重的问题。....... 第二章实验部分 2.1功率循环实验通过输入直流恒流源(KEILEY228^)的周期性通断,对功率模块进行功率循环实验。实验中,将图2一l所示的功率模块用银浆固定在水循环散热器上,散热器结构如图2一龙所示。散热器由金属铜制成,中间有空腔用于通循环水,通过调整循环水的流速和输入电流的大小、开关时间以达到控制功率循环时的极值温度和升降温速率。为了实时检测DCB基板上的温度变化,在DCB基板上用银浆粘贴一个铂测温电阻,用一个KEITHLEYZool电压表测量其电压信号,通过铂电阻的电阻温度曲线得到铂电阻的温度。另一个KEIT日LEYZool电压表测量循环过程中功率芯片上的电压,通过芯片的电阻一温度曲线得到功率芯片上的温度。........ 2.2温度循环实验温度循环实验在WEISSTS一130热循环实验箱中进行,所采用的温度范围是一55Oe一+125oc,频率为leyeles爪r,升降温速率为xsoelmin,高低温保温时间为各20min,温度循环曲线如图冬一5所示。在功率循环和温度循环实验过程中,每间隔若干周次循环后取出试样,采用扫描超声波显微镜(CSAM)对92.SPb5Sn2.SAg焊层的裂纹扩展进行检测。扫描超声波显微镜使用高频超声(5一500MHz),利用试样内部不同界面或不同深度的反射信号在行进时间上的不同,通过截取时间域一定位置和宽度的反射超声信号,得到试样一定深度内的特征信息,并转化为图象,能有效检测试样内部的材料界面或缺陷特征。......... 第三章实验结果分析……233.1CSAM检测超声图像……233.2裂纹扩展速率的实验测量.........27第四章SnPb焊料合金Analld本构方程...................334.1本构描述.................334.2SnPb钎料Alland方程的材料参数................36 第五章有限元模拟 5.1三维有限元模拟和C-M方程失效寿命估计 5.1.1几何构型与材料参数在芯片的边界处将有较大的应力应变集中,故靠近芯片边缘的网格划分较细。由于我们在分析时主要侧重于焊料层的应力应变响应及过程,加上焊料层的材料非线性性质,应力应变过程较为复杂,在92.SPbssn2.SAg焊层中的元素也较为精细。上述的l/8构型的结点总数为2751,8一nodes的3维单元为2100个。在ANSYS有限元模拟软件中,定义对称性及合理的边界条件,并定义92.SPbssn2.SAg钎料的单元类型为粘塑性单元单元。需要指出,利用上述常数。和沪所预测的热循环寿命很低。由于本文实验研究的温度循环范围比文献更为苛刻,考虑温度和频率修正得到的热循环寿命将更低,与实际92.SPb5Sn2.SAg焊层热循环失效不符。这主要是因为本文研究IGBT功率模块单个芯片PbsnAg焊层的尺寸为8.smmX9.smm,而oarveauxIgl采用的倒装焊95Pb5Sn焊点为柱状焊点,直径一0.127mm,按常规定义裂纹长度扩展至1/4一1/2焊点直径时为失效............ 结论 (l)对电子封装功率芯片贴装DCB基板模块进行了长时间的功率循环和温度循环加速疲劳试验。在功率循环和温度循环条件下92.SPb5Sn2.SAg合金焊层的裂纹扩展由周边开始,并向中心发展。功率循环下的裂纹扩展速率小于温度循环下的裂纹扩展速率。循环早期的裂纹扩展不明显。(2)应用超声波显微镜CSAM,实现功率芯片贴装DCB基板SnPb焊层热循坏裂纹扩展过程的检测,并确定了裂纹扩展数据。(3)采用具有单一内变量的统一型粘塑性Analld方程,描述了92.5Pb5sn2,SAg合金的力学本构。(4)用有限元方法模拟了三维功率模块芯片贴装DCB基板模块在热循环条件下的应力应变过程。描述了92.SPbssll2.SAg焊层在热循环下的应力应变响应。采用等效塑性应变增量△:思,建立了一种描述SnPb合金热循环裂纹扩展速率的Coffin一Masson经验方程,SnPb焊层的裂纹扩展速率随裂纹长度的增加而减小。(5)用有限元方法模拟了在不同长度预置裂纹下,二维功率芯片贴装DCB基板模块在热循环条件下裂纹尖端周围的应力应变场。并基于断裂力学方法,计算了叮积分。结果表明,叮可以很好地作为92.SPbssn2.SAg焊层热循环裂纹扩展的力学表征参量。参考文献(略)