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双面散热功率器件封装的热设计与优化

双面散热功率器件封装的热设计与优化

作者：韦祥礼桂林电子科技大学

学位级别：硕士

功率器件作为构成电力电子系统的核心部件,在高铁、新能源汽车等领域有广泛的应用。在“碳中和”和“碳达峰”目标驱动下,功率器件朝着大功率和微型化方向快速发展。然而,随着功率器件的集成度以及功率的提高,功率器件的热流密度不断增... 详细信息

功率器件作为构成电力电子系统的核心部件,在高铁、新能源汽车等领域有广泛的应用。在“碳中和”和“碳达峰”目标驱动下,功率器件朝着大功率和微型化方向快速发展。然而,随着功率器件的集成度以及功率的提高,功率器件的热流密度不断增加,散热问题日益突出,严重影响功率器件的电气性能和使用寿命。如何通过封装热设计实现功率器件有效的热管理已经成为业界的研究热点。为了实现功率器件的高效散热,本文设计了一种双面散热功率器件（double-sided cooling power device,DCPD）封装,提出了PCB嵌入式微通道结合翅片散热器的双面散热方式。具体研究结果如下:（1）基于功率器件封装的导热路径和等效热阻网络,结合激光钻孔和电镀铜层工艺,本文提出了一种基于QFN形式的封装方案;通过结合智能功率模块的电路设计和内部结构,设计了一种双面散热功率器件封装,并通过实验探讨了该封装工艺的可行性。同时,通过T3Ster热瞬态测试仪对不同基板样品的热阻进行测试,确定基板材料对器件散热的影响机制,实验结果表明基板材料的热导率越高,热阻越低,样品温度就越低。（2）对全填充塑封智能功率模块和DCPD进行了热-力耦合仿真分析,对比芯片结温和热应力仿真结果,探索了基板、焊料层、PCB覆铜率、电镀铜层对DCPD热-力特性的影响。仿真结果表明,与前者相比,所设计的DCPD芯片最高温度降低了38.56℃,结-壳热阻降低了94.76%,芯片最大等效应力减小了18.55%。基板和焊料层材料的热导率越高,芯片结温和封装热阻也越低;PCB覆铜率和电镀铜层对DCPD散热有重要影响。此外,随着基板面积和厚度的增大,基板最大等效应力越小;随着焊料层厚度的增大,焊料层最大等效应力不断增大,芯片最大等效应力也呈整体增大的趋势,焊料层空洞率的增大也会导致基板、焊料层和芯片热应力的增大。（3）为了实现DCPD的最佳散热效果,采用正交试验方法对DCPD的热沉参数和电镀铜结构进行优化以确定最优结构参数。最后,仿真分析了优化后双面散热功率器件的热力学特性,仿真结果表明,当芯片总功率为30W时,优化后的DCPD的芯片最高温度为47.37℃,结-壳热阻为2.60℃/W。当芯片最高结温为120℃时,DCPD的承载功耗是全填充塑封智能功率模块的26倍左右,且器件内部的芯片最大等效应力是全填充塑封功率模块的50%左右。本文的研究成果能够为实现功率器件高效散热提供一种切实可行的封装热设计方案,为功率器件的散热优化提供一种分析方法。

关键词：功率器件封装双面散热热设计微通道

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功率器件封装的可靠性研究

功率器件封装的可靠性研究

作者：谢鑫鹏华南理工大学

学位级别：硕士

随着功率MOSFET芯片的功率增加,体积缩小,热密度急剧上升,集成电路的散热问题已经成为器件可靠性的关键。影响功率器件封装可靠性的主要因素有:芯片粘贴焊层空洞率及焊接质量;粗引线键合的品质。本论文基于此两个问题展开相关的实验研究... 详细信息

随着功率MOSFET芯片的功率增加,体积缩小,热密度急剧上升,集成电路的散热问题已经成为器件可靠性的关键。影响功率器件封装可靠性的主要因素有:芯片粘贴焊层空洞率及焊接质量;粗引线键合的品质。本论文基于此两个问题展开相关的实验研究,为工业应用提供可参考的工艺参数依据;并通过有限元方法在理论上的探讨,为工艺改善提供理论上的依据。本文综述了功率器件及其封装技术和功率器件封装的可靠性。针对芯片粘贴中的空洞展开了实验研究,利用正交实验设计方法对温度、时间、压力等工艺参数进行优化并得到最优的工艺参数窗口及各工艺参数对空洞的影响程度。针对常用的5mil,15mil铝线超声引线键合工艺,利用正交实验设计方法进行工艺参数优化,得到最优的工艺参数窗口;并采用BP神经网络建立工艺参数与引线键合质量之间的非线性关系,得到工艺预测的神经网络结构。本文利用ANSYS有限元分析,基于热-机械耦合方法对功率器件封装进行的理论探究,分析了芯片粘贴焊层中空洞率,厚度,芯片功率等对封装体温度场和热应力应变场的影响。通过分析芯片粘贴工艺过程中空洞形成的机理,根据有限元分析结论,对工艺的改善优化提出建议。基于有限元方法,本文还对芯片粘贴焊层进行了寿命预测及热可靠性分析。通过建立芯片粘贴的PbSnAg焊料层的有限元模型,在温度循环实验(-55℃125℃)加载条件下,对等效应力最大值、塑性应变最大值、塑性功密度等进行热可靠性的分析讨论,并基于Robert Darveaux提出的能量密度方法对芯片粘贴焊层进行了寿命预测分析,最后讨论了芯片的尺寸对焊层热可靠性的影响。

关键词：芯片粘贴铝线键合功率器件封装热可靠性有限元分析

功率器件封装用纳米浆料制备及其烧结性能研究进展

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电子与封装 2021年第3期21卷 8-17页

作者：杨帆杭春进田艳红哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨150001

随着SiC、GaN等第三代半导体在大功率器件上的应用,功率器件的工作温度可达到300℃,传统Sn基无铅钎料因为熔点低及钎焊温度高等原因无法满足要求。纳米浆料因其可以实现低温烧结、高温服役的特性吸引了国内外研究者的青睐。从纳米颗粒... 详细信息

随着SiC、GaN等第三代半导体在大功率器件上的应用,功率器件的工作温度可达到300℃,传统Sn基无铅钎料因为熔点低及钎焊温度高等原因无法满足要求。纳米浆料因其可以实现低温烧结、高温服役的特性吸引了国内外研究者的青睐。从纳米颗粒的合成、纳米浆料的制备、烧结性能以及可靠性等方面综述国内外纳米浆料的研究进展,同时对纳米浆料研究中存在的问题提出一些建议。

关键词：功率器件封装第三代半导体纳米浆料低温烧结

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碳化硅功率器件封装关键技术的研究

产业科技创新 2019年第35期1卷 88-90页

作者：李洪涛青岛滨海学院山东青岛266555

碳化硅功率器件是一种宽禁带器件,具有耐高温、耐高压以及导通电阻低等优点,而如何发挥碳化硅器件的相关优点,则是目前封装技术的不容忽视的问题。在文章研究中,阐述了碳化硅功率器件封装技术所面临的挑战,并介绍了模块封装结构以及相... 详细信息

碳化硅功率器件是一种宽禁带器件,具有耐高温、耐高压以及导通电阻低等优点,而如何发挥碳化硅器件的相关优点,则是目前封装技术的不容忽视的问题。在文章研究中,阐述了碳化硅功率器件封装技术所面临的挑战,并介绍了模块封装结构以及相关关键技术情况。

关键词：碳化硅功率器件封装封装结构

基于面板级封装技术的功率器件集成封装工艺研究

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基于面板级封装技术的功率器件集成封装工艺研究

作者：员展飞桂林电子科技大学

学位级别：硕士

随着电力电子技术的进步,传统封装形式已渐渐不能满足功率器件的性能需求。新型封装技术多在提高器件性能的同时不能兼顾工艺难度与生产成本,对其批量化生产造成阻碍。针对上述问题,本文基于面板级封装技术,提出一种混合式的功率器件集... 详细信息

随着电力电子技术的进步,传统封装形式已渐渐不能满足功率器件的性能需求。新型封装技术多在提高器件性能的同时不能兼顾工艺难度与生产成本,对其批量化生产造成阻碍。针对上述问题,本文基于面板级封装技术,提出一种混合式的功率器件集成封装工艺,设计流程方案与封装结构,使用有限元软件仿真分析封装结构的电、热、力性能,并通过实验分步验证工艺步骤,探究一种产品性能优且工艺难度低、成本低、可批量化生产的功率器件集成封装工艺。研究内容包含以下几个方面:（1）提出一种基于面板级封装技术的功率器件集成封装工艺,通过特殊塑封形成阶梯结构隔断功率芯片栅、源极,并在芯片源极表面开窗。针对功率芯片栅极小、源极大的特点,栅极采取引线键合,降低工艺难度;源极采取重布线层,降低寄生参数,提高散热能力。（2）以DrMOS为封装对象,在封装设计规范下,进行工艺流程与封装结构设计。工艺流程设计包括三种方案:方案一栅极引线键合、源极钻孔、覆铜;方案二栅极引线键合后去塑、覆铜,源极引线键合、覆铜;方案三栅、源极钻孔、光刻、覆铜。封装结构设计包括引线框架图纸、芯片焊接图纸、引线键合图纸、重布线层图案设计以及封装整体结构设计。（3）通过有限元软件相应计算模块对三种封装结构进行寄生参数提取、散热能力分析、热应力与翘曲验证。仿真结果表明:方案二栅极寄生参数最优,方案一、三源极寄生参数最优;方案三散热能力最优;方案一封装翘曲最优,三种方案均符合设计规范。综合比较工艺难度与结构性能,选定方案一为封装方案,结合相关研究成果,对影响结构性能的因素进行仿真分析。结果表明:在合理范围内,重布线层厚度对结构寄生电阻、封装翘曲影响较大,对寄生电感、结温影响很小。（4）在仿真分析工作的指导下,以现有设备及材料为基础,分步验证各个工艺步骤。实验包括芯片焊接工序、引线键合工序、塑封工序、重布线层工序以及切割工序。实验结果表明,各个工序步骤均完成预期目标,工艺具有可行性。本文研究了一种特殊塑封的混合式功率器件集成封装工艺,并结合仿真与实验对该工艺进行分析验证,对新型功率器件集成封装工艺的开发具有一定的指导意义。

关键词：功率器件封装封装工艺封装设计有限元分析工艺验证

无压浸渗SiC/Al电子封装复合材料及其在微波功率器件与模块上的应用研究

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无压浸渗SiC/Al电子封装复合材料及其在微波功率器件与模块上的应...

功率芯片与器件封装用纳米铜膏制备及烧结性能和接头可靠性研究

2003中国电子制造技术论坛暨展会暨第七届SMT、SMD技术研讨会

作者：王子良林叶程凯涂传政张韧王鲁宁陈洁民陈银龙崔岩中电科技集团第55研究所北京航空材料研究院

高体积分数碳化硅颗粒/铝基(SiC/Al)复合材料,由于它的热膨胀系数在一定范围内精确可控、导热率高、重量轻的三大特性,能与各种材料实现理想匹配,在各种军用电子系统均向着轻量化、小型化及高可靠性与长寿命的方向发展的今天,其用途正... 详细信息

高体积分数碳化硅颗粒/铝基(SiC/Al)复合材料,由于它的热膨胀系数在一定范围内精确可控、导热率高、重量轻的三大特性,能与各种材料实现理想匹配,在各种军用电子系统均向着轻量化、小型化及高可靠性与长寿命的方向发展的今天,其用途正日益广泛。本文在国内首次以一个实际应用的P波段微波功率器件封装外壳为背景,根据微波功率器件封装壳体的设计、制造要求,采用无压浸渗新工艺高效、低成本地制备热胀系数可精确调控的高导热、轻质高体分碳化硅颗粒/铝基(SiC/Al)电子封装复合材料,并研究其成型、抛光、打孔、镀金等特种加工技术,以及芯片、陶瓷组件和管帽的钎焊与封接等封装与组装技术,成功制作出以(SiC/Al)电子封装复合材料为基础的微波功率器件封装外壳,并进行了器件整体参数测试,使用结果较为理想。

关键词：碳化硅铝基复合材料无压浸渗替代W-Cu 功率器件封装

来源： cnki会议评论

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功率芯片与器件封装用纳米铜膏制备及烧结性能和接头可靠性研究

作者：王春蒙华南理工大学

学位级别：硕士

随着第三代宽禁带半导体材料和功率器件的快速发展,其芯片或器件面临着更高功率密度、更高工作频率、更高工作温度等使用要求,目前主流应用的传统的封装互连材料已不能满足上述严苛的服役需求。纳米铜膏具有优异的导电导热性能、抗电迁... 详细信息

随着第三代宽禁带半导体材料和功率器件的快速发展,其芯片或器件面临着更高功率密度、更高工作频率、更高工作温度等使用要求,目前主流应用的传统的封装互连材料已不能满足上述严苛的服役需求。纳米铜膏具有优异的导电导热性能、抗电迁移性能及低廉的成本,被认为是可替代目前所用的可烧结银膏且最有前景的高温互连材料。本研究通过优化包覆剂配方和制备工艺,制得了颗粒尺寸呈双峰分布的纳米铜颗粒,其中平均粒径为10 nm的小尺寸铜颗粒包覆在平均粒径为160 nm大尺寸铜颗粒周围,并研究了其在烧结过程的热行为和氧化行为。由于乳酸和还原性有机溶剂（二乙二醇和丙三醇）的存在,纳米铜颗粒在空气中烧结时也具有优异的抗氧化性能。研究发现,铜膏在空气环境中表现出优异的低压（0.5 MPa）、低温（280℃）、快速（5 min）烧结性能,小尺寸（3×3 mm）的Cu/Cu-paste/Cu烧结接头强度可达31 MPa,强化效应主要由产生冶金结合的界面和致密的烧结块体铜组织提供。值得指出的是,在不同压力水平下的烧结接头强度均为其它同尺寸铜膏烧结接头研究中相同气氛和工艺参数下的最高值。此外该铜膏在氮气保护下还表现出优异的无压烧结性能,在280℃烧结10 min后接头的强度超过20 MPa。研究还发现,不同金属化镀层的烧结接头由于镀层金属与铜相互扩散能力不同,其接头强度和断裂路径也不同。Cu/Cu-paste/Cu烧结接头在界面处存在牢固的纳连接而具有最高的接头强度,其次为Ag/Cu-paste/Cu接头,Ni/Cu-paste/Cu接头由于Ni–Cu间较弱的互扩散能力而形成弱的界面纳连接因而具有最低的剪切强度。此外烧结接头面积从3×3 mm增大为5×5 mm后,空洞面积占比增加了约10%,导致接头剪切强度降低。最后利用能系统进行参数最佳化实验设计的田口（Taguchi）方法对铜膏在不同接头中的应用进行性能优化,使其能够适用于不同尺寸和不同金属化镀层的烧结接头,同时研究不同接头中影响因子的显著性排序差异;研究发现由于不同接头中界面互连质量的差异,以及烧结时间、烧结压力分别对烧结体质量和界面互连状态的影响程度不同,所以不同接头表现出不同的因子显著性排序。

关键词：功率器件封装纳米铜膏烧结工艺金属化镀层接头可靠性

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纳米铜焊膏烧结互连技术研究现状与展望

集成技术 2023年第5期12卷 12-26页

作者：牟运彭洋刘佳欣陈明祥华中科技大学机械科学与工程学院武汉430074 华中科技大学航空航天学院武汉430074

纳米铜焊膏在低温烧结后可形成耐高温、高导电导热同质互连结构,该互连结构不仅可避免锡基焊料层和烧结银层服役过程中出现桥接短路和电迁移的可靠性问题,还可解决异质互连结构热膨胀系数不匹配的问题,在集成电路和功率器件封装领域具... 详细信息

纳米铜焊膏在低温烧结后可形成耐高温、高导电导热同质互连结构,该互连结构不仅可避免锡基焊料层和烧结银层服役过程中出现桥接短路和电迁移的可靠性问题,还可解决异质互连结构热膨胀系数不匹配的问题,在集成电路和功率器件封装领域具有重要应用价值。近年来,在铜纳米颗粒稳定性和低温烧结性能方面,纳米铜焊膏烧结互连技术取得了重大研究进展。但与纳米银焊膏烧结互连技术相比,纳米铜焊膏的稳定性、低温烧结性能和可靠性仍有较大提升空间。该文从烧结互连机理、烧结工艺调控、铜纳米颗粒表面改性、纳米铜基复合焊膏、互连可靠性和封装应用方面,阐述了纳米铜焊膏烧结互连技术的最新研究进展,并对后续的技术发展和研究思路进行了展望。

关键词：纳米铜焊膏烧结互连集成电路封装功率器件封装

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功率器件芯片粘片与粗铝线键合可靠性研究

功率器件芯片粘片与粗铝线键合可靠性研究

作者：郑钢涛华南理工大学

学位级别：硕士

随着功率MOSFET器件的工作电压和电流的增加,芯片尺寸减小,导致器件的热密度急剧上升,这些因素对功率MOSFET的可靠性提出了挑战。影响功率器件封装可靠性的两个主要因素为芯片粘贴层的质量以及粗引线键合的品质。本文主要围绕这两个问... 详细信息

随着功率MOSFET器件的工作电压和电流的增加,芯片尺寸减小,导致器件的热密度急剧上升,这些因素对功率MOSFET的可靠性提出了挑战。影响功率器件封装可靠性的两个主要因素为芯片粘贴层的质量以及粗引线键合的品质。本文主要围绕这两个问题展开相关的实验研究。第一部分系统地研究了芯片粘贴层质量的改变（包括空洞率的改变和界面金属间化合物的生长）对器件性能和可靠性的影响。通过高低温冲击（-50—+150℃）老化实验和测试分析,结果表明,焊料层中空洞面积对器件导通电阻和热阻具有显著的影响,随着空洞面积的增大,器件的电阻和热阻都呈线性趋势的增长。并探讨了空洞面积改变的情况与初始空洞大小及分布位置的关系。采用高温存储和高低温冲击实验研究了焊料与铜基板界面处IMC的生长情况,分析了老化过程中IMC的形貌和生长速率,及其对器件性能的影响。结果显示在175℃环境下, IMC随着老化时间的增加而不断增长,IMC的厚度与老化时间的平方根是近似成线性关系的。而在高低温冲击环境（-50—+150℃）中,界面IMC的厚度不随冲击循环数的增加而发生明显改变,比较稳定。并分析探讨了界面IMC的生长变化与器件导通电阻的关系,揭示了功率器件退化的机理。论文第二部分研究了在功率MOSFET器件封装中用于连接芯片源极与引线框架的多根粗铝线,其焊点在芯片焊盘的位置分布对器件导通电阻和雪崩可靠性的影响。结果表明对大电流、多铝线的器件,铝线在芯片表面焊盘的分布对器件导通电阻和雪崩击穿能量都有显著的影响,为了获得更好更可靠的器件,应该使铝线焊点在芯片表面焊盘的分布尽量分散和均匀（类似等边多边形图形）。

关键词：功率器件封装芯片粘贴铝线键合金属间化合物雪崩可靠性