功率模塊的材料和熱形變

功率模塊的材料和熱形變多芯片模塊的大功率IGBT器件是由多層不同的材料構成，這一構造展現(xiàn)出了很好的機制穩(wěn)定性，電氣絕緣特性和很好地溫度傳導能力。圖1a是A型（標準E2封裝）模塊簡要的剖面，相關的物理參數(shù)見表1。從底部可以看到基準盤，直接附在陶瓷襯底的銅，硅芯片，金屬鋁（沒有畫出）以及接合導線。圖1b是B型模塊的簡要剖面圖。它和A型模塊在結構上最大的區(qū)別在于IGBT芯片上方焊接了應變緩沖層（a‘層和b層）。abedefgh=七abedefgh=七圖1，A（a）B（b）兩種多芯片模型各層的簡要圖表1厚度（t）,CTE,典型長度（L）Materialf(l-ini)CTE(ppm嚴匚)L(mm)Al300MM]Si250312Solder100CompliantCu2S0NotrelevantorAIN10007or430-55Cu2S0NotrelevantSolder應CompliantCuorAlSiC400017orS這兩種類型的模塊都有附加的延展性良好的材料層，它們填充在溫度膨脹系數(shù)相去很大的材料之間，這就是焊接層的例子。近期，新一代的功率器件已經被開發(fā)出來，他們并沒有使用任何底盤，并且陶瓷（AIN）襯底直接加載在散熱板上。模塊中唯一用到焊接的就是晶片粘貼，所有其他的溫度和電氣接觸都是由機械壓力實現(xiàn)以至于整個結構并沒有附著的導線。盡管在過去電器傳導的壓片式接觸技術被證明非常粗糙，并具有長時間的可靠性，但當下，壽命的定量分析和關于失效機理的精確信息在該技術中還沒得應用。因此，在接下來本文不會考慮新器件的架構。這也是更傳統(tǒng)的壓力封裝的例子。在第一個假設前提下，溫度膨脹，層的特征長度以及局部溫度擺幅的系數(shù)存在不匹配。相關材料和多芯片層的前兩個參數(shù)見于表1.在圖2a中，本文列出了兩個模塊不同接觸面的相關溫度擺幅計算值（一維近似值），這兩種模塊具有相同幾何結構（如表1），但它們的層是由不同材料組成的。特別是第一個模塊的陶瓷襯底是由Al2O3，底盤是由銅組成，而后者的襯底是氮化鋁，底盤是A1S&組成。從圖2b中，本文可以看出，由于氮化鋁的良好導熱性，B型多層的最大溫度擺幅比A型低50%。相反，在第一個多層模型中，溫度下降最明顯（大約80%）的部分是Al2O3陶瓷襯底。從表2中，本文可以看出CTE中最大的區(qū)別會影響鋁（走線，金屬板）和硅芯片。在第一個多層里，這樣的不匹配因材料間的親密接觸加強。相反，在第二個堆棧中使用的由鋁和鉬盤（CTE2.5ppm/C）構成的緩沖層，極大地減少了鋁導線承受的熱應力；關于CTE不匹配的第二第三方面，本文可以單獨討論陶瓷襯底和底盤（特別是氧化鋁和銅的合金）以及硅和陶瓷基底（特別是硅和氧化鋁）。延展性良好的焊層將最后的兩對材料分開。層的側面尺寸越小，熱應力也就越小。因此，相比于單個大的底盤（特別是那些易碎材料），小型的結構更受人們歡迎。不幸的是，幾乎所有的組件都是由物理特性限制（比方說IGBT芯片的尺寸）。只有陶瓷襯底還有著一定的討論空間；在高級封裝中，它以方塊形式出現(xiàn)，邊長范圍在30-55mm。當在銅基底內加入氮化鋁時，小尺寸的陶瓷襯底經常被使用。這也是出于優(yōu)化成本考慮（圖3）.

表2總結了CTE不匹配，溫度擺動以及圖1a，b中所描述結構的尺寸等綜合影響。根據(jù)一維估計，在散熱板溫度為40C，耗散功率為100W，清晰地指明兩種多芯片模塊的標準接觸情況下，不同的延展性得到了計算。〔貿」e」=alQdld岸E10P〔貿」e」=alQdld岸E10P100^80-160^40三20^0上a七b七c-dd-ee-fInterfaces80圖2（a）溫度擺幅在兩種不同類型器件各層堆棧結構之間的分布：（黑色：A型白色：B

型）a-b,b-c,c-d…分別對應硅，硅-焊錫，焊錫-銅，銅-陶瓷，陶瓷-銅，銅-焊錫，焊錫-

基底盤；（b）功耗為100W，散熱板溫度為40°C時各接觸面的溫度（黑色：A型；白色：B

型）表2：在圖2條件下各材料的延展性Typ^ASi-bondwire2on]000inn4on12.000[iniOi-coppe