基于焊层裂纹扩展的IGBT性能退化建模与分析

在疲劳载荷作用下,绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)会发生结构损伤与性能退化,影响电力电子系统可靠性。对此,首先基于传热学理论推导焊层疲劳裂纹长度与热阻的关系,并以Darveaux模型表征IGBT焊层裂纹演化规律,提出一种IGBT性能退化模型及其待定系数的估计方法。其次,考虑实际工况的非平稳特征,利用响应面法建立IGBT变幅疲劳载荷模型,并基于雨流计数法与线性累积损伤准则实现IGBT性能退化量的评估。最后,以一款IGBT产品为例,实施功率循环试验,基于试验数据开展性能退化建模与分析,验证了模型与算法的有效性。

基于改进双支耦合Cauer模型的逆变器中IGBT模块结温预测方法

在严苛工况下,应用于光伏发电和风电系统逆变器中的IGBT模块极易老化,进而在焊料层中形成空洞,而芯片材料的热物性也会因高温而发生变化,两者结合将大幅影响耦合模型的预测精度。基于此,在热耦合效应下,对焊料层空洞和芯片热效应对芯片结温的影响进行分析,建立同时考虑IGBT芯片焊料层空洞损伤和芯片材料热效应的改进双支耦合Cauer模型。通过有限元方法研究不同空洞率对IGBT模块热特性的影响,并给出含有空洞时焊料层热阻的计算方法。在此基础上,进一步考虑IGBT模块芯片热参数对温度的依赖关系,建立芯片热阻-温度的函数模型。最终,通过实验验证所提改进模型的准确性和有效性,提高了IGBT模块的结温预测精度,增强了光伏发电和风电系统中逆变器的可靠性。

Cu-Ni/Solder/Ni-Cu互连结构的电迁移

采用Cu-Ni/Solder/Ni-Cu互连结构,在加载的电流密度为0.4×104A/cm2的条件下,得到了界面阴极处金属原子的电迁移.数值模拟揭示了其原因是由于凸点互连结构的特殊性,电子流在流经凸点时会发生流向改变进而形成电流聚集,此处的电流密度超过电迁移的门槛值,从而诱发电迁移.运用高对流系数的热传导方法降低了互连焊点的实际温度,在电迁移的扩展阶段显著减小了高温引起的原子热迁移对电迁移的干扰;因此电迁移力是原子迁移的主要驱动力.在电迁移的快速失效阶段,原子的迁移是热迁移和电迁移共同作用的结果:电迁移力驱动阴极处原子的迁移,造成局部区域的快速温升,从而加剧此处原子的热迁移.

基于双分支Cauer模型的IGBT模块焊料层老化监测方法

以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的焊料层为研究对象,在传统Cauer模型的基础上,提出考虑芯片-铜端子热流支路的双分支Cauer模型,利用光纤温度传感器测量裸露在IGBT模块外部的铜端子温度和IGBT模块底板温度,以获取IGBT芯片结温,通过分析芯片结温、铜端子温度、底板温度的变化规律,准确定位焊料层老化位置,以区分芯片焊料层老化和底板焊料层老化,从而实现对不同焊料层的老化状态监测。

基于电-热-结构耦合分析的SiC MOSFET可靠性研究

作为应用前景广阔的功率器件,SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的可靠性分析至关重要。基于结构几何、材料特性和边界条件的建模方法可以显著缩短失效分析周期。考虑器件电阻随温度变化的特性,构建电-热-结构耦合的有限元模型,针对健康状态及不同失效模式进行温度和应力研究。结果表明,功率循环过程中键合线与芯片连接处受到的热应力最大,焊料层与芯片接触面的边缘位置次之;键合线失效对器件寿命影响最大,且焊料层中心空洞产生的应力大于边缘空洞产生的应力。仿真结果可为提升器件可靠性提供重要参考。

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。

考虑高海拔环境及焊料层缺陷的IGBT芯片温升与识别模型

针对焊接型IGBT模块缺少相应的高海拔地区的电热耦合模型,同时有关高海拔地区由于焊料层缺陷导致芯片失效的研究也少之又少。根据IGBT模块内部电场、热场的耦合作用关系,以焊接型IGBT为研究对象,建立芯片焊料层不同缺陷类型及缺陷比例的高海拔地区焊接型IGBT电热耦合模型,分析了海拔高度以及焊料层空洞、裂纹以及脱落缺陷对焊接型IGBT最大结温的影响,并从机理上做出相应解释,同时提出了高海拔地区焊接型IGBT焊料层缺陷识别模型。研究表明,不同的海拔高度对芯片温度的影响程度不同,高海拔地区芯片温升较低海拔地区明显;不同的缺陷类型、缺陷比例对芯片温度的影响程度也不同,当缺陷比例超过5%后,脱落对芯片温度的影响程度远大于裂纹缺陷和空洞缺陷,同时,所提缺陷识别模型能准确地获取芯片焊料层的缺陷类型和比例,对焊料层的健康状况进行评估。本文研究为高海拔地区焊接型IGBT焊料层健康状态检测,提高IGBT模块运行稳定性提供了理论指导。

基于高速动车组服役环境下的功率器件主端子连接结构设计与评价

为了提高高速动车组服役环境下功率器件主端子连接结构的服役可靠性,文章通过有限元分析对IGBT器件主端子结构焊层的疲劳可靠性进行研究,并且运用不同的理论预测焊层疲劳寿命并通过功率循环试验进行了验证。结果表明,随着主端子焊层孔洞率的增加,循环周次会降低,但影响并不明显。随着主端子焊层厚度逐渐增加,循环周次呈现出先增加后减少的变化规律。在功率循环过程中,主端子结构焊层的退化表现为灰色含Sn相的粗化,采用基于能量的Darveaux模型进行分析更加符合功率器件主端子结构焊层的退化过程。故在主端子结构中,影响其服役寿命的主要因素为焊层厚度。

Ag-GNSs/Sn-Ag-Cu复合钎料焊点的润湿性能及界面生长特征研究

采用Ag涂覆石墨烯纳米片(Ag-GNSs)作为增强体,制备Sn-3.0Ag-0.5Cu-(Ag-GNSs)新型复合无铅钎料,然后在Cu基板上制备了钎料焊点,并进行了150℃不同时长的等温时效处理,研究了不同含量的Ag-GNSs对无铅钎料Sn-3.0Ag-0.5Cu的润湿性、Cu基板/钎料界面金属间化合物(IMC)生长特性的影响。结果表明,适量的Ag-GNSs可以显著地改善钎料的润湿性,当Ag-GNSs含量达到0.05wt%时润湿性最佳,与Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料相比润湿角降低了54.43%。随着等温时效时间的延长,IMC层厚度增大,其生长行为由扩散控制。Ag-GNSs的添加可以抑制IMC层的生长,当Ag-GNSs的含量为0.05wt%时扩散系数达到最小值2.356×10^(-18)m^(2)/s。在0~0.2wt%范围内,Ag-GNSs的最佳添加量为0.05wt%。

基于Protel的Solder Masks与Paste Masks辨析

在不同的Protel 99 SE教材中,对于Solder Masks和Paste Masks的理解存在两种截然相反的意见,而且大多数教材对于Masks层没有给出详尽的解释,这些弊端都给初学者带来较大的困惑。通过对印制电路板掩膜层制造工艺的详细描述、单层显示演示以及Protel 99 SE帮助文件的诠注全面而充分地论证了Solder Masks和Paste Masks的实质含意。认为两者的实质是"阻焊膜与防锡膏膜",没有"互补关系"。

Influence of electroless Sn/Bi on Sn/Pb soldered joint strength

The solder joint strength of Pb/Sn soldering aluminum with electroless layer Sn/Bi and Cu was studied. The results show that the joint shear strength of electroless Sn/Bi on aluminum surface is lower than that of Cu. A Pb-riched region with porosity is formed in region of soldering fillet with electroless Sn/Bi. Both the electroless Sn/Bi layer and Pb-riched layer become thicker, which are the reasons why the shear strength of the solder joint with electroless Sn/Bi on aluminum surface is lower than that of electroless Cu, and the higher the thickness of the electroless Sn/Bi layer is, the lower the shear strength of solder joint is.

细间距DRQFN器件的返修工艺

QFN具有优异的电性能、热性能以及尺寸小和轻薄化的特点,广泛地应用于各领域电子产品中。针对细间距双排QFN(DRQFN)器件返修成功率低的问题,提出了双面预上锡的返修方法,并对返修后的焊透率进行测定,对焊点进行金相分析。试验结果表明,通过这种方法返修的焊透率在85%以上,焊点与母材连接处的金属间化合物(IMC)层厚度适中。

IGBT模块焊层的被动热循环可靠性分析

有众多基于加速试验与数学模型研究焊层可靠性的方法被报道,但是这些方法对模块各焊层间的差异及失效机理认知不足.基于某款绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块为研究对象,通过设计被动热循环(TC)加速试验,结合精细超声扫描(scanning acoustic microscope,SAM)的方法高效评价了不同焊层的TC耐热疲劳可靠性.结果表明,该封装体系下母排焊层的可靠性最差,衬板的可靠性最高.在热应力及化学势作用下,镀层中磷的相对含量及界面金属间化合物的厚度逐渐增加引起界面结构不匹配性增强,导致界面裂纹的萌生和生长,其中镀层结构的变化起主导作用.创新点:基于SnPbAg焊层与衬板及基板界面结构的动力学过程分析,明确了系统焊层退化及空洞产生的机理.

振动载荷加载下功率模块的响应与疲劳寿命预测

针对功率模块焊料层在振动载荷加载下的可靠性问题,建立了三组分别采用SAC305、Sn63Pb37、Ag3.5Sn96.5材料芯片焊料层的功率模块模型,使用振动分析仪、加速度传感器等验证模型的合理性。并利用有限元仿真软件对不同模型进行模态分析、谐响应分析以及随机振动分析。选择基于高斯分布的Steinberg模型和Manson经验高周疲劳关系式,结合线性疲劳损伤累积准则,对三组不同材料芯片焊料层功率模块进行振动疲劳寿命预测。结果表明,在一阶固有频率和五阶固有频率处,不同材料功率模块均易出现共振现象。焊料层的材料对固有频率无影响,施加激励的方向对焊料层承受应力的大小有重要影响。三种材料SAC305、Sn63Pb37、Ag3.5Sn96.5焊料层的振动疲劳寿命分别为8.97×105 h,6.39×105 h,1.98×104 h。

Sn-xSb合金与Cu基体的界面反应行为及热力学

研究不同Sb含量Sn-Sb合金在Cu基板上的界面行为,以明确Sb元素对Sn-Sb合金焊料焊接可靠性的影响。通过分析Sn-xSb/Cu体系的显微组织和界面反应热力学,解释界面层的演化过程。结果表明,添加Sb对金属间合物层的生长并非单调递增。Sb能抑制Cu在焊料中的扩散。添加3%Sb(质量分数)使界面反应活化能从286.41降低到62 kJ/mol,促进了界面反应的进行。随着Sb含量增加至10%Sb(质量分数),界面反应活化能提高到686.73 kJ/mol,使界面反应难度增加,减少焊料对Cu基体的熔蚀,并抑制过厚界面层的形成。

MLCC软端产品三次回流焊后鼓包分层问题的分析及改善

本文通过从设计、材料及制程几方面对MLCC软端产品在三次回流焊后发生鼓包分层问题的原因进行分析,相应的从设计、材料、设备、工艺等方面探究改善分层的方案,最后也针对该问题给出了更易暴露端头鼓包分层的检验方式,对软端产品的设计、材料选型、生产以及检验方式都具有重要的指导意义。

Au-20Sn贵金属钎料箔材的制备及性能研究

采用多层复合及扩散合金化工艺制备Au-20Sn贵金属钎料箔材,研究箔材的化学成分、熔化特性、力学性能、物相组成、组织形貌和微区成分,并采用真空钎焊工艺对所制备钎料箔材的钎焊性能进行研究。结果表明,采用多层复合及扩散合金化工艺制备的Au-20Sn钎料箔材脆性明显改善,能够在室温下冷冲裁加工成特定尺寸的预成型焊片;钎料箔材的化学成分和杂质含量符合设计要求,显微组织由连续且均匀分布的(AuSn)和(Au5Sn)两相组成;钎料熔程仅为3.1℃,在铜基材上润湿性和铺展性良好,钎焊铜接头力学性能较好。

射频隔离器高功率密度负载焊接可靠性

射频隔离器大功率密度负载在工作时,需要承受功率信号带来的温度冲击。良好的负载焊接质量可以提高负载的可靠性,负载焊接的可靠性又直接影响隔离器的可靠性,因此深入研究负载焊接机理十分必要。首先对极限工作条件下针对隔离器不同厚度IMC层进行热-力耦合仿真分析和可靠性预估,然后从原材料、印锡工艺、焊接方式三方面分析其对焊接风险的影响。结果表明,通过对焊接工艺进行优化,IMC层连续、致密、均匀,空洞率低于20%;可靠性试验结果表明,未出现打火、击穿现象,负载未出现裂纹;同时电性能无异常,满足性能指标要求。

J80C型连接器锡环激光焊接工艺研究

本研究通过改变传统送锡方式改善J80C型连接器手工焊接操作难度大、焊接效率低的问题。采用锡环顶部送锡的方式,将焊锡丝弯折成环形,从连接器引脚上方垂直套入,锡环落至引脚根部后,以激光作为热源,通过非接触焊接方式进行焊接。研究结果表明,对J80C型连接器进行激光锡环焊接后,焊点浸润良好,合金层厚度在1~3μm之间,焊接效率提高244%。

计及焊料层疲劳累积效应的IGBT模块寿命评估

作为大功率变流器的关键单元,绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor,IGBT）的高可靠性是系统稳定运行的重要保证,准确的寿命评估是提高系统可靠性的有效手段之一。然而,目前器件寿命评估多忽略焊料层疲劳造成的热阻、热载荷增大效应,易高估器件寿命。针对该问题,该文提出计及焊料层疲劳累积效应的IGBT模块寿命评估模型,该模型考虑焊料层失效位置信息以及疲劳造成的热特性反馈效应。首先,基于IGBT模块三维电–热–力多物理场耦合模型分析不同焊料层疲劳对模块热响应影响的差异;其次,提出基于Cauer模型的考虑焊料层疲劳位置信息的热网络更新策略;然后,基于该策略建立适时更新热网络的计及焊料层疲劳对模块老化加速作用的寿命预测模型;最后,与现有寿命预测模型对比分析实际风速下风机变流器中IGBT模块的寿命评估。