电源模块功率器件热阻及互连结构热疲劳研究

作     者：郭奇 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄延禄;何小琦;李勋平

授予年度：2013年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：电源模块 热阻模型 结温 有限元模拟 温度循环 

摘      要：微电子器件及微系统封装不断朝着高密度方向发展，这就导致元器件单位体积功耗的增加。功耗增大常易引起封装体内温度的升高，当温度超过元器件额定温度时，易导致元器件工作不稳定而失效。另外，在温度条件下，由于热力学参数的不同也会导致互连结构承受循环应力而失效。本文针对功率器件VDMOS，研究了该器件热阻及其互连结构热疲劳问题，为实际热设计及热疲劳损伤提供一定指导意义。 本文基于拉普拉斯方程及其边界条件，建立了从热源到环境的总热阻。总热阻包含两部分内容，热源到芯片再到环境的热阻;热源到基板和可伐再到环境的热阻。根据并联理论计算总热阻，并分别研究了器件尺寸、导热系数、对流换热系数对热阻的影响。结果表明，随器件尺寸增加，其热阻值呈非线性关系减小;随导热系数增加，其热阻值并不是与传统导热系数对热阻值的影响趋势相同，而是呈现线性负相关关系;随对流换热系数的增加，其热阻值与传统对流换热系数对热阻值影响趋势相同，呈现双曲线关系。 本文在简化物理模型的基础上建立有限元模型。在此模型基础上，利用有限元软件模拟VDMOS在给定边界条件下的温度分布，测试工作条件下VDMOS温度分布，利用热阻理论模型计算VDMOS温度。结果表明，理论计算、模拟结果与实验结果相吻合。 研究了温度循环条件(-55℃25℃)下，VDMOS互连结构的热疲劳损伤问题。互连结构应力应变分布图表明，互连结构与基板相交顶点处是最易发生疲劳的地方。因此，基于危险点的应力应变曲线，依据改进的C-M模型，预测互连结构的热疲劳寿命为908周。