翠展微電子
GRECONSEMI
隨著新能源汽車、光伏等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,加速了第三代半導(dǎo)體器件的實際應(yīng)用,這對模塊封裝的可靠性提出了更高的挑戰(zhàn)。在IGBT的封裝失效模式中,焊料的疲勞與鍵合線故障導(dǎo)致的失效是器件失效的主要原因。在IGBT多層結(jié)構(gòu)中,芯片下方的散熱通道是散熱的主要途徑,芯片下焊料是其中的重要組成部分,也是最容易發(fā)生焊料疲勞退化的位置。
IGBT模塊多層結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)釬焊料熔點低、導(dǎo)熱性差,在工作期間產(chǎn)生的熱循環(huán)過程中,由于材料間CTE差異,在材料間產(chǎn)生交變的剪切熱應(yīng)力,在應(yīng)力的連續(xù)作用下,容易導(dǎo)致焊料層疲勞老化、產(chǎn)生裂紋,進而發(fā)展為材料分層,由于裂紋和分層的產(chǎn)生,焊料層與各層材料間的接觸面積減小,熱阻變大,加速了焊料層的失效,難以滿足車規(guī)高功率SiC器件封裝的可靠性及其高溫應(yīng)用要求。
芯片下焊料層疲勞
鍵合線材料的選擇上因為鋁及其合金價格低、熱導(dǎo)率高,25℃時為237(W/mK),鋁線鍵合是目前模塊封裝中應(yīng)用最廣泛的一種芯片互連技術(shù)。但由于鋁的熱膨脹系數(shù)23.2×10-6K-1與硅芯片的熱膨脹系數(shù)4.1×10-6K-1相差較大,在長時間的功率循環(huán)過程中容易產(chǎn)生并積累熱應(yīng)力,引起鍵合線斷裂或鍵合接觸表面脫落,導(dǎo)致模塊失效。在電流輸出能力要求較高的情況下,芯片表面鍵合引線的數(shù)目過多,會引起較大的雜散電感,同時對電流均流也有一定影響。
鍵合鋁線脫落失效
為解決高功率密度車用模塊中芯片下焊料疲勞與鍵合線故障問題,翠展微電子針對Tpak SiC系列封裝提出了一個創(chuàng)新解決方案,銀漿燒結(jié)+銅Clip方案。芯片與AMB間的連接方式采用銀漿燒結(jié),代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊料。銀的熔點高達961℃,不會產(chǎn)生熔點小于300℃的軟釬焊連接層中出現(xiàn)的典型疲勞效應(yīng),大幅提高了模塊的功率循環(huán)能力。同時芯片上表面用leadframe一體化的銅Clip替代鋁線鍵合,減小了模塊內(nèi)部的雜散電感,提升了芯片表面電流的均流性,增強了模塊整體的過流能力。銅比鋁更優(yōu)異的導(dǎo)熱能力也提升了模塊整體的散熱能力。有效的提升了模塊整體的出流能力和可靠性。
Tpak結(jié)構(gòu)模型
按照AQG-324標(biāo)準(zhǔn),獲取模塊在隨機激勵條件下的振動頻率,研究Clip方案模塊被迫抵抗外部隨機振動的能力與結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性。
激勵條件(寬帶隨機激勵)
PSD功率密度頻譜
仿真結(jié)果-應(yīng)力分布
根據(jù)仿真結(jié)果,模塊整體應(yīng)力較小,最大應(yīng)力出現(xiàn)在與塑封體相交的銅排端子處部位,其中最大應(yīng)力不超38MPa,安全系數(shù)取1.35,滿足安全使用條件。
仿真結(jié)果-疲勞壽命
在對應(yīng)PSD頻譜作用下,模塊最易損壞的部分是與塑封相交的銅排端子處部位,與模型的應(yīng)力分布相吻合,其中模塊最低壽命為9.9×104s滿足22h要求。
電感部分對模塊整體電感進行仿真,仿真結(jié)果模塊電感4.9nH滿足設(shè)計要求。
仿真結(jié)果-電感
前期驗證考慮芯片最大結(jié)溫是否滿足芯片耐受溫度。使用軟件PLECS,依據(jù)數(shù)據(jù)手冊計算相應(yīng)芯片損耗,根據(jù)熱仿真結(jié)果芯片最高溫度小于140℃,滿足設(shè)計要求。
仿真結(jié)果-溫度分布
總的來說,翠展微電子Tpak器件系列采用銀燒結(jié)和Clip技術(shù)實現(xiàn)了高可靠性、低熱阻、低雜散電感器件設(shè)計。銀燒結(jié)技術(shù)使用銀漿替代傳統(tǒng)焊料,降低模塊整體熱阻,提高芯片和AMB互連的可靠性,有效增強模塊的功率循環(huán)能力。Clip技術(shù)利用Leadframe一體化的銅排代替鍵合鋁線,可以有效的減小模塊內(nèi)部雜散電感,擁有更高的電流輸出能力的同時可以增強芯片的散熱,提高模塊的可靠性。
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原文標(biāo)題:翠展微電子TPAK SiC系列解決方案
文章出處:【微信公眾號:翠展微電子】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
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