环氧树脂高温热老化反应对器件功率循环寿命的影响机理

分立器件主要使用环氧树脂封装材料以保护芯片免受机械损伤和环境腐蚀,但环氧树脂材料的热稳定性较差,在高温环境下易发生化学反应,影响器件的性能。因此,一般要求器件的工作温度不能超过环氧树脂的玻璃化转变温度。以SiCMOSFET分立器件为研究对象,通过功率循环试验深入探究高温存储对器件功率循环寿命的影响。结果表明,经高温存储后器件的寿命得到显著提升。此外,通过对高温存储前后环氧树脂材料进行热机械分析,发现环氧树脂材料的热稳定性经高温存储后得到增强。最后,通过建立有限元仿真模型,深入分析高温存储对器件芯片表面应变及键合线应变的影响,发现高温存储后器件芯片表面应变及键合线应变变小,解释了高温存储对器件寿命提升的影响机理。

环氧树脂对功率器件键合线寿命的影响分析

功率循环测试是考核功率半导体器件封装可靠性最重要的可靠性测试。键合线失效约占功率循环失效模式的70%。TO (Transistor Outline,晶体管外形)器件采用环氧树脂进行封装,在相同的条件下,因为高弹性模量被证明比硅胶具有高约3倍的功率循环寿命,后被广泛应用到电动汽车的双面散热半桥功率模块,但环氧树脂在高温情况下性能并不稳定,进而影响键合线寿命。为充分了解环氧树脂对功率器件键合线寿命的影响规律,文章首先通过功率循环测试分析了两种不同玻璃化转化温度(Glass transition temperature,T_(g))的环氧树脂功率器件在同一条件下的寿命,发现更高的T_(g)可以有效抑制键合线的抬起并提高其寿命;然后针对试验用的1 200 V、25 A的TO器件,基于COMSOL仿真软件建立电-热-应力多物理场耦合有限元模型,探究环氧树脂在达到玻璃转化温度T_(g)前后不同的热膨胀系数以及环氧树脂不同的厚度参数对键合线应力应变的影响,并结合疲劳模型预测键合线寿命;最后通过线性回归拟合对仿真参变量进行定量分析,为功率器件环氧树脂塑封材料的设计优化和可靠性提升提供参考。