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基于新型层叠DBC混合封装功率模块的键合线可靠性研究

基于新型层叠DBC混合封装功率模块的键合线可靠性研究

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作者：谭一帆华中科技大学

学位级别：硕士

功率模块的高功率密度化成为电力电子应用最重要的规格之一。为了提高功率模块的功率密度,可以提高半导体开关器件的开关频率,从而降低无源器件的体积。但是硅基器件受到材料的限制,不能达到很高的开关频率,因此碳化硅器件为高功率密度... 详细信息

功率模块的高功率密度化成为电力电子应用最重要的规格之一。为了提高功率模块的功率密度,可以提高半导体开关器件的开关频率,从而降低无源器件的体积。但是硅基器件受到材料的限制,不能达到很高的开关频率,因此碳化硅器件为高功率密度的应用提供了新的选择。碳化硅器件能够达到更高的开关频率,更高的击穿电压和更低的导通电阻。但同时也会产生很高的di/dt,给模块寄生参数的控制带来了困难和挑战。基于碳化硅器件的新型混合封装结构采用互感抵消法则,能够有效的减小模块的寄生电感大小,并且比平板结构的工艺简单和成熟,是目前比较理想的高功率密度封装结构。然而,混合封装结构仍存在着可靠性问题,比如键合线的脱落等等。所以研究并优化这种新型结构的可靠性具有非常重要的意义。本文着重研究了基于新型层叠DBC混合封装结构的键合线的5种形状参数对于键合线可靠性的影响情况。本文首先通过ANSYS Workbench平台的瞬态力场模块,提出了对新型层叠DBC混合封装结构进行温度循环的仿真方法,并通过仿真结果中的最大Von-mises等效应力值和塑性应变幅值对不同结构键合线的可靠性进行判断比较。接着搭建温度循环实验平台,并提出了对新型层叠DBC混合封装结构进行温度循环的实验方法和检测方法,并通过样品的键合线拉力测试结果对不同结构键合线的可靠性进行判断比较。最后通过温度循环仿真结果和温度循环实验结果双重验证,得出键合线键合在上层DBC陶瓷基板的中央位置,键合线可靠性更高;上层DBC陶瓷基板的铜层越厚,陶瓷层越薄,键合线的可靠性更高;键合线直径越小,键合线可靠性更高;键合线顶点距离一焊点前端的水平距离越大,键合线可靠性更高;键合线顶点距离一焊点前端的垂直距离为2.5mm时键合线可靠性最高等5个结论。最优的形状参数提高了键合线的可靠性,为该结构的引线键合过程提供参考,也为该结构其他部分的可靠性研究提供了参考。

关键词：混合封装结构层叠DBC 可靠性键合线形状参数

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