亚洲成av人片天堂网无码】,人人妻人人爽人人添夜夜欢视频

摘要

設計了一個功率循環(huán)壽命比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)增長20倍以上的功率模塊。綁定線、芯片連接處和基板焊點的惡化是影響功率循環(huán)壽命的主要因素�；趯嶒灪头治鼋Y(jié)果，我們設計了一種無焊料結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高可靠性功率模塊的目的。這種無焊料結(jié)構(gòu)使用一體化基板，其直接粘接底板和絕緣基板而不使用焊料。從分析發(fā)現(xiàn), 這種新結(jié)構(gòu)除了能實現(xiàn)模塊的高可靠性，還能因為低熱阻減少Tjmax和ΔTj。分析表明，3.3 kV LV100封裝使用這些技術(shù)和銅綁定線，其功率循環(huán)壽命是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的56倍。

1、介紹

最近針對功率模塊更長功率循環(huán)壽命的需求有所增加，如高鐵等應用[1]。同時碳化硅器件也需要在高結(jié)溫下運行。為了滿足這些需求，根據(jù)功率循環(huán)測試經(jīng)驗，模塊損壞的根源是連接芯片和外部端子的綁定線、芯片焊接層的材料和底板焊接層。這些方面的老化是影響功率循環(huán)壽命的主要因素[2,3,4]。高結(jié)溫運行促進了高耐熱元件[2]的發(fā)展。許多報告都提到了高耐熱線的發(fā)展，其可用于連接芯片、外部端子和高耐熱芯片焊接層[5,6]。通過提高芯片連接、外部端子和芯片焊接層材料的可靠性后，底板焊接層的劣化成為影響功率循環(huán)壽命的主要因素。

根據(jù)實驗和分析結(jié)果，本文提出了一種可實現(xiàn)高可靠性和高生產(chǎn)率要求的無焊料結(jié)構(gòu)。通過將超聲波焊接端子和銅線結(jié)合到我們的無焊料結(jié)構(gòu)中，我們設計了一個比我們現(xiàn)有結(jié)構(gòu)長20倍功率循環(huán)壽命的結(jié)構(gòu)。

2、模塊結(jié)構(gòu)

在本文中，我們以當前結(jié)構(gòu)作為參考結(jié)構(gòu)。我們開發(fā)的無焊料結(jié)構(gòu)和參考結(jié)構(gòu)的原理圖如圖1所示，并在表1中列出了兩者的組成元素進行比較。該開發(fā)結(jié)構(gòu)由SiC-MOSFET組成，可在高結(jié)溫下工作。為了實現(xiàn)圖1(a)中的開發(fā)結(jié)構(gòu)，對圖1(b)中的參考結(jié)構(gòu)進行了更改，涉及絕緣基板/底板、芯片連接、綁定線/電極和超聲波焊接元件。

下面將從絕緣基板/底板改變、芯片焊接層材料和超聲波焊接方面闡述我們的設計理論。

圖1 模塊原理圖

表1 結(jié)構(gòu)對比

絕緣基板/底板

在我們開發(fā)的結(jié)構(gòu)中，絕緣基板和底板采用了集成元件(無焊接絕緣底板)。相比之下，參考結(jié)構(gòu)中的絕緣基板和底板作為單獨的元件，通過焊料結(jié)合。如介紹中所述，基于功率循環(huán)試驗，絕緣基板和底板之間的焊料層中也會產(chǎn)生疲勞。

因此，我們分析了參考結(jié)構(gòu)中絕緣基板與底板之間的焊料劣化對功率循環(huán)壽命的影響。我們特別進行了傳熱分析。首先，我們創(chuàng)建兩個模型來分別模擬無焊料惡化發(fā)生和有焊料惡化發(fā)生。然后，對兩種模型設定相同的熱條件后進行穩(wěn)態(tài)傳熱分析，并比較了兩種模型的T_jmax。這里假定劣化只發(fā)生在絕緣基板和底板之間的焊料中。當多個芯片同時產(chǎn)生熱量時，熱量集中在芯片安裝區(qū)域的中心，導致該安裝區(qū)域內(nèi)有溫度分布。然而，半導體電阻與溫度有關(guān)，因此流過的電流和產(chǎn)生的熱量會隨著芯片安裝位置的變化而變化。因此，為了更準確地模擬實際功率循環(huán)測試中的熱條件，我們考慮到芯片之間產(chǎn)生熱量的差異，調(diào)整了熱條件。

眾所周知，焊料的劣化會出現(xiàn)垂直或水平裂紋[7]。這一方面，水平裂紋反映了一個焊料層的面積會隨著裂紋增加而減少的模型；另外一方面，垂直裂紋則反映了焊料層導熱系數(shù)惡化的模型[8]。T_jmax隨焊料劣化程度的增加而升高。在此分析中，我們設立了幾個具有不同程度焊料劣化的模型，并根據(jù)這些模型繪制了T_jmax的變化。

圖2 T_jmax與裂紋的關(guān)系

結(jié)果如圖2所示。圖中，縱軸表示無劣化模型的T_jmax與有劣化模型的T_jmax之間的差值。水平軸表示水平裂紋擴展比例，我們定義為模型中水平裂紋長度與未劣化焊料總長度之比。結(jié)果表明，T_jmax隨焊料劣化呈加速增長趨勢，在水平裂紋增長率為4.5%的情況下，T_jmax增加了11.2℃。由此可見，絕緣基板與底板之間的焊料劣化對模塊可靠性有很大影響。相比之下，在新開發(fā)的結(jié)構(gòu)中將基板和底板一體化，消除了底板焊錫層，減少了一個導致失效發(fā)生的因素。研究發(fā)現(xiàn)，與有焊錫層結(jié)構(gòu)相比，所開發(fā)的無焊錫層結(jié)構(gòu)模塊具有較高的可靠性。

此外，焊錫層的缺失降低了模塊的熱阻，提高了散熱。因此可以預期，在產(chǎn)生熱量相同的情況下所做開發(fā)結(jié)構(gòu)的T_j小于參考結(jié)構(gòu)的T_j。為了降低開發(fā)結(jié)構(gòu)的熱阻，除了采用無焊料結(jié)構(gòu)外，還對銅層厚度、陶瓷厚度等進行了改變。與參考結(jié)構(gòu)相比，開發(fā)結(jié)構(gòu)的熱阻降低了14%。從熱循環(huán)試驗中也證實開發(fā)結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生機械劣化。

另外，熱分析表明，熱阻的降低有助于減小T_j。我們通過創(chuàng)建圖1所示的開發(fā)結(jié)構(gòu)和參考結(jié)構(gòu)的模型來進行分析。對于參考結(jié)構(gòu)的模型，我們采用與圖2分析時相同的模型。我們還對兩種模型進行了瞬態(tài)熱分析，在相同的熱條件下，確定并比較了兩種模型的T_jmax和△T_j。這里，由于散熱器溫度是T_jmax的下限，我們比較了（Tjmax -散熱器溫度）的值�！鱐_j的值為T_jmax與T_jmin之差。此外，由于這是一個瞬態(tài)熱分析，我們可以把器件關(guān)斷時沒有熱量產(chǎn)生的溫度作為T_jmin。分析結(jié)果以參考結(jié)構(gòu)為基準進行計算。

分析結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明，與參考結(jié)構(gòu)相比，新開發(fā)結(jié)構(gòu)的T_jmax降低了16%，△T_j降低了22%。由于T_jmin不會下降到散熱器溫度以下，所以T_jmin的下降有一個限制，因此△T_j下降了。在本次評估中，我們將芯片產(chǎn)生的熱量設為恒定。而在實際的功率循環(huán)試驗中，導通電阻隨著T_jmax的減小而減小，因此產(chǎn)生的熱量也隨之減小。因此，我們認為在給模塊通恒流時，T_jmax和△T_j會進一步減小。

圖3 開發(fā)結(jié)構(gòu)與參考結(jié)構(gòu)熱阻，T_jmax和△T_j的比較

芯片連接材料

在開發(fā)的結(jié)構(gòu)中，我們使用燒結(jié)銀作為芯片連接材料，而在參考結(jié)構(gòu)中則使用焊料作為芯片連接材料。燒結(jié)銀具有良好的結(jié)合性能，適用于對可靠性要求高的模塊;它常用于對結(jié)溫要求較高的功率模塊。通過基礎實驗和數(shù)值分析，我們研究了燒結(jié)銀和焊料作為芯片連接材料的功率循環(huán)壽命。在本研究中，我們假設劣化只會發(fā)生在芯片連接材料。

基于以往的評估結(jié)果，通過數(shù)值分析可以計算出由于焊料劣化而達到功率循環(huán)壽命所需的循環(huán)次數(shù)。另一方面，沒有足夠的評價結(jié)果來預測由于燒結(jié)銀變質(zhì)而達到功率循環(huán)壽命所需的循環(huán)次數(shù)。由于在功率循環(huán)壽命測試中燒結(jié)銀不容易發(fā)生劣化，因此通常功率循環(huán)壽命是由綁定線劣化決定的。在本研究中，我們用以下方法估計燒結(jié)銀的功率循環(huán)壽命。這里需要兩個信息來估計銀的壽命。一個是銀裂紋擴展速率，另一個是模塊失效時燒結(jié)銀中可預期的水平裂紋距離。

銀裂紋擴展速率的確定方法如下。首先，我們制作燒結(jié)銀的試樣，并對每個試樣施加不同的應力，直到燒結(jié)銀結(jié)斷裂。接下來，我們通過應力分析再現(xiàn)了施加純應力到試樣上的狀態(tài)，并計算了燒結(jié)銀結(jié)中產(chǎn)生的應力數(shù)值。然后，從燒結(jié)銀斷裂的循環(huán)次數(shù)和分析結(jié)果出發(fā)，計算裂紋擴展速率(mm/cyc)與任意應力的關(guān)系。

接著，我們利用應力分析計算了燒結(jié)銀在功率循環(huán)試驗中產(chǎn)生的應力。然后，根據(jù)前面計算的裂紋擴展速率與應力的關(guān)系，確定了開發(fā)結(jié)構(gòu)在功率循環(huán)試驗時的裂紋擴展速率。

接下來，我們按以下方式確定了模塊失效時預計的水平裂紋距離。首先，通過穩(wěn)態(tài)傳熱分析，確定了T_jmax與燒結(jié)銀中水平裂紋距離的相關(guān)性，并計算了T_jmax失效時的水平裂紋距離。穩(wěn)態(tài)傳熱分析基于與上述應力分析相同的模型，并涉及到創(chuàng)建可能發(fā)生水平裂紋的結(jié)構(gòu)。這里用于再現(xiàn)水平裂紋的方法與分析底板焊料時再現(xiàn)水平裂紋的方法相同。

分析結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，燒結(jié)銀結(jié)的功率循環(huán)壽命比焊料的功率循環(huán)壽命長54.7倍。相對于20的目標倍數(shù)，這個倍數(shù)表示足夠的可靠性水平。簡而言之，我們發(fā)現(xiàn)使用燒結(jié)銀作為芯片連接的模塊具有足夠的功率循環(huán)壽命，比使用焊料的模塊長20倍以上。

圖4 焊料和燒結(jié)銀標幺化循環(huán)次數(shù)的比較

超聲波焊接

我們用超聲波焊接將端子與絕緣基板上的銅層連接起來。在參考結(jié)構(gòu)中，端子是通過焊料粘結(jié)的。然而，焊點疲勞有時會導致模塊失效。使用超聲波焊接，基板與底板之間不會發(fā)生故障。

此外，開發(fā)結(jié)構(gòu)的綁定線/電極為銅線，而參考結(jié)構(gòu)為鋁線。在使用鋁線的結(jié)構(gòu)中，線/芯片的劣化往往是影響功率循環(huán)壽命的主要因素。與鋁線相比，采用銅線/鍍銅鍍層的模塊在功率循環(huán)試驗中具有較高的可靠性。

3、可靠性

我們通過應用開發(fā)結(jié)構(gòu)來確定模塊的功率循環(huán)壽命。我們使用3.3 kV LV100封裝對開發(fā)結(jié)構(gòu)和參考結(jié)構(gòu)進行測試，因為3.3 kV LV100封裝具有高可靠性。在相同的條件下，我們對所開發(fā)模塊和參考結(jié)構(gòu)模塊進行了功率循環(huán)測試，分析了綁定線和芯片連接層達到功率循環(huán)壽命的循環(huán)次數(shù)。在所得到的循環(huán)次數(shù)中，取最小的循環(huán)次數(shù)作為開發(fā)模塊的功率循環(huán)壽命。功率循環(huán)試驗在結(jié)溫(T_jmax)為175℃的條件下進行，電流和通斷時間值固定。測試表明，開發(fā)模塊的功率循環(huán)壽命約為參考結(jié)構(gòu)模塊的56倍(圖5)。

圖5 開發(fā)結(jié)構(gòu)和參考結(jié)構(gòu)的功率循環(huán)試驗分析結(jié)果

在這個評估中，我們比較了相同結(jié)溫的功率循環(huán)壽命。如前一節(jié)所述，開發(fā)結(jié)構(gòu)的熱阻較低，因此T_jmax和△T_j降低。這意味著在使用實際產(chǎn)品時，可靠性將得到進一步提高�？紤]到T_jmax和△T_j的下降，我們模擬了實際產(chǎn)品的使用，并計算了功率循環(huán)壽命。圖5中的藍色箭頭顯示了這些結(jié)果。與傳統(tǒng)的硅模塊相比，使用開發(fā)結(jié)構(gòu)的壽命有了很大的提高。

4、結(jié)論

我們專注于以下改進: 絕緣基板/底板、芯片連接、端子-銅連接層和綁定線，并設計了具有高可靠性和高生產(chǎn)率的模塊結(jié)構(gòu)，其功率循環(huán)壽命是參考結(jié)構(gòu)的20倍以上�；谠u估和分析結(jié)果，我們開發(fā)了一種新結(jié)構(gòu)的模塊：使用無焊點絕緣底板，燒結(jié)銀作為芯片連接材料，端子連接使用超聲波焊接，以及銅線/銅電鍍。特別是集成襯底，對于延長使用壽命有很大的作用。分析表明，無焊接層帶來的熱阻降低從而使T_jmax和△T_j降低。結(jié)果表明，在相同的工作電流下，所設計的結(jié)構(gòu)比參考結(jié)構(gòu)更可靠。通過分析確定了該結(jié)構(gòu)應用于3.3 kV LV100封裝時的功率循環(huán)壽命，發(fā)現(xiàn)采用本文設計結(jié)構(gòu)的模塊的功率循環(huán)壽命比參考結(jié)構(gòu)長56倍。這種結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點是，更少的專業(yè)化設備和更少的模塊組裝過程，從而顯著提高生產(chǎn)率。此外，沒有底板焊錫層導致較低的熱阻，這意味著在相同的電流下運行的可靠性更高。

秋霞人成在线观看免费视频,欧美毛片一区二区三区福利,国产乱辈通伦影片在线播放亚洲,无码人妻精品中文字幕免费,无码人妻精品中文字幕免费

新型無焊料高可靠性功率模塊

移動互聯(lián)

更多>>推薦視頻

工業(yè)轉(zhuǎn)型升級-中國電器工業(yè)協(xié)會

中國高壓變頻器產(chǎn)業(yè)發(fā)展之路——

從企業(yè)家角度談行業(yè)的未來發(fā)展

現(xiàn)代能源變換的核心技術(shù)——電力

打造專業(yè)電力電子元器件品牌助

關(guān)注我們