無泵出效應的封裝設計論文

ID:140840 · 發表于 2017-4-5 15:29

摘要

本文介紹了一種全新的功率半導體封裝結構。這種封裝結構可以防止模塊基板和散熱器之間的熱介質由于泵出效應而造成模塊損壞的現象。該封裝結構可以有效減少散熱基板由于溫度變化而產生的彎曲。

1、引言

目前各種各樣的電力電子系統都希望實現更小的體積，但輸出更大的功率。因此，作為電力電子系統的核心器件的功率模塊需要具有更小的封裝并輸出更大的功率。功率模塊的功率密度相應地得到大幅度提升，但這也對散熱設計提出了更高的要求。對于更好的散熱設計，一個重要的因素是減小散熱基板和散熱器之間的熱阻。為了實現散熱基板和散熱器之間更好的接觸，一般會使用熱熱介質來增強基板和散熱器之間的接觸，然而該熱介質的參數，例如厚度、性能和材料特性等，都將影響散熱能力和功率模塊的可靠性。另一方面，由于IGBT和二極管運行產生的損耗所導致的溫度變化，將會造成功率模塊散熱基板發生形變。散熱基板的這種微小而重復的形變將導致熱介質被擠出，最終會導致“泵出失效”。為了保證熱介質的長期穩定性，需要研發出更為先進的封裝結構，以防止基板在連續的溫度循環下產生形變。

2、泵出失效的機理

傳統功率模塊的結構如圖2.1所示。其中各種材料的熱膨脹系數(CTE)列出在表2.1中。在這種結構中，構成模塊的散熱基板的DBC，焊接層和銅底板等部件的熱膨脹系數各不相同。由IGBT和二極管運行時產生的熱將導致殼溫變化，因此，各部件由于熱膨脹系數不同而造成的伸縮程度也將不同。最終，各層之間不同的張力導致不同的形變，就象典型的雙金屬結構一樣。這種現象就是導致散熱基板形變的原因。

圖2.2是基板形變現象的示意圖。在反復的溫度變化下，功率模塊基板將像圖2.2a)和b)所示的那樣反復形變。這種形變將會把熱介質擠出，因而這種泵出失效導致散熱器和基板之間熱接觸不充分。接觸不充分的結果是功率模塊散熱能力的下降和熱阻Rth(c-s)的上升。在最壞的情況下，功率模塊的結溫可能會超過最大允許結溫而產生熱損壞。

3、泵出現象的對策

通過匹配各種材料的熱膨脹系數(CTE)，新的封裝結構可以顯著降低各層材料之間的應力。圖3.1顯示了這種全新的功率模塊結構，表3.1則給出了新結構中各層材料的熱膨脹系數。這種新的封裝結構采用了固體樹脂作為灌封材料，用以替代傳統結構中的凝膠。為此，我們不僅開發了基礎材料，還開發了一種灌封用的樹脂，以使得結合在一起的部件都有一致的熱膨脹系數(CTE)。

這種良好匹配的熱膨脹系數將幫助散熱基板在溫度變化下產生更少的形變。圖3.2和圖3.3顯示了環境溫度從25℃變化為-40℃時傳統結構和新型結構散熱基板的應力分析(有限元分析)。為了使區別顯示更明顯，右圖均為放大5倍后的結果。

這個仿真結果描述了使用樹脂材料的新型結構優化后的散熱基板在溫度變化時的形變。結果顯示，使用這種新型結構將產生彎曲的幾率大大減小。

4、樣品實測數據

新型封裝基板彎曲和溫度的相關性如圖4.1和表4.1所示。在實驗中，我們通過環境試驗箱來控制三個不同的環境溫度，用以測量參考點的垂直位移。參考的長度是91mm。表4.1顯示了9片樣品測量結果的平均值。

當溫度從25℃上升到125℃時，測量點位移變化僅為13.4um，這可以說明整個散熱基板并沒有出現明顯的彎曲。另一個實際的實驗結果是，在經歷了300個熱循環后，所采用典型的熱介質也沒有發生泵出效應。這將使我們開發的新型功率模塊發生泵出失效的可能性大大降低。

5、結論

這種全新設計的功率模塊結構將相鄰各層的熱膨脹系數進行了匹配。這樣的改進可以有效地控制散熱基板在溫度循環下所產生的彎曲，從而能夠顯著降低由于泵出效應而導致模塊損壞的可能性。

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無泵出效應的封裝設計論文