湿度对功率半导体器件芯片焊料热阻的影响机理

近年来,湿度对功率器件热特性的影响成已为热点话题。然而,功率器件芯片焊料热阻受湿度的影响尚未被试验证实,且影响机理仍不明确。该文基于试验测试、算例、仿真模型,首次提出湿度对功率器件芯片焊料热阻的影响机理。结果表明,湿度能入侵器件,并在两方面影响器件结-散热器瞬态热阻抗:(1)芯片焊料;(2)器件壳表面接触热阻。进一步地,探究芯片焊料的热容、密度、热导率受湿度影响机理,并结合算例可知,若水汽含量占芯片焊料层内物质总量的0.1%,芯片焊料的热容、密度、热导率将变化为原来的101.9%、100.0135%、91.4%。已校准热特性的仿真模型表明,焊料层热容的增大会导致焊料层热阻下降(整体热阻不变),焊料层热导率的减小会导致整个器件热阻上升,两种情况共同作用,影响实际户外应用工况下功率器件的工作寿命。

焊层空洞对IGBT芯片温度的影响

焊层空洞是造成IGBT模块散热不良的主要因素,基于IGBT的七层结构,建立了IGBT模块封装结构的三维有限元模型并对其进行热分析,研究焊层空洞对IGBT芯片温度的影响。对比了有无焊层空洞时IGBT模块的整体温度分布,分析了空洞类型、空洞大小、空洞形状、空洞数量及空洞分布对IGBT芯片温度分布的影响。研究结果表明:芯片焊层空洞对芯片温度的影响较大,衬板焊层空洞对芯片温度的影响较小;贯穿型空洞对芯片温度的影响要大于非贯穿型空洞;单个空洞越大,IGBT芯片温度越高;相同形状的空洞,处于边角位置比处于焊层内部对芯片温度影响大;多个空洞分布越集中,芯片温度越高;焊层缝隙对芯片温度的影响要小于空洞对芯片温度的影响。因此,在封装过程中应避免出现芯片焊层空洞,以提高IGBT的可靠性。

基于正交设计的WLCSP柔性无铅焊点随机激励应力应变分析

对晶圆级芯片尺寸封装(wafer level chip scale package,WLCSP)柔性无铅焊点进行了随机振动应力应变有限元分析.以1号柔性层厚度、2号柔性层厚度、上焊盘直径和下焊盘直径4个结构参数作为关键因素,采用正交表设计了16种不同结构参数组合的柔性焊点,获取了16组应力数据并进行了方差分析.结果表明,焊点内最大应力应变随1号柔性层厚度和2号柔性层厚度的增加而减小;在置信度99%时,下焊盘直径和上焊盘直径对应力具有高度显著影响,在置信度95%时,1号柔性层厚度和2号柔性层厚度对应力具有显著影响;各因素对应力影响排序为:下焊盘直径影响最大,其次是上焊盘直径,再次是1号柔性层厚度,最后是2号柔性层厚度.

倒装LED芯片的焊料互连可靠性评估

对比测试了两类不同焊垫的倒装LED芯片的焊料互连可靠性。结果表明,采用金锡共晶合金焊垫和金焊垫的倒装LED芯片适于金锡共晶焊,具有高的互连焊点可靠性,但共晶倒装焊设备昂贵,制造成本很高;若采用普通锡基焊料封装,则由于液-固和固-固界面的焊料反应,导致焊料与焊垫之间出现严重的界面不稳定状态,进而引起不受控的焊点剥离等一系列可靠性问题。而在倒装LED芯片的焊垫材料表层增加一层焊料阻挡层,则可以通过简单的工艺流程实现高可靠的互连封装。

保温时间对GaAs功率芯片钎缝组织及性能的影响

GaAs芯片的使用性能受其散热效果决定,而散热主要依靠散热垫块与芯片连接的钎缝来决定。为增加钎缝的散热效果和基体结合强度,文中分别在芯片层利用物理气相沉积方法沉积Pd和Au膜,而在Cu/Mo/Cu散热垫块上沉积Ni和Au膜,采用AuSn20共晶钎料,研究保温时间对钎焊缝组织和界面结合性能影响。研究结果表明:共晶结构主要由15~20μm厚的合金层和0.5~3μm厚的IMC层构成。随着保温时间延长,合金中Sn元素会逐渐被IMC层消耗,合金成分往富Au的(L+ζ′)相区迁移,相比例增加,保温时间超过60 s后, IMC层厚度超过3.9μm,剪切力快速减小至89.67 N。

倒装芯片互连时SnAg/95Pb5Sn焊料间的互扩散行为及Ni阻挡层的作用

本文研究了共晶ＳｎＡｇ／９５ＰｂＳｎ 扩散偶在２５０ ℃下的扩散行为。发现由于９５Ｐｂ５Ｓｎ 中的Ｐｂ 向熔融共晶ＳｎＡｇ 焊料中扩散而部分生成三元共晶Ｐｂ － Ｓｎ－ Ａｇ 相，其熔点约为１７８℃。化学镀Ｎｉ 层可以有效地阻止共晶ＳｎＡｇ 和９５Ｐｂ５Ｓｎ 间的互扩散，防止Ｐｂ－ Ｓｎ－ Ａｇ 共晶相的生成，从而提高焊点的耐热温度。文中还研究了与共晶ＳｎＡｇ／Ｎｉ／９５Ｐｂ５Ｓｎ 结构相关的相变及力学性能。