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复旦大学 硕士学位论文 塑封功率器件中cu/emc界面分层失效的实验与计算分析研究 姓名：方行 申请学位级别：硕士 专业：材料物理与化学 指导教师：王珺 2010-05-10 复旦大学硕士学位论文 摘要 随着电子封装向小型化、高密度发展，功率器件的封装形式也向着小型化、 多样化、高集成度发展。功率器件常用于电能变换和电能控制电路中，通常器件 中电流为数十至数干安，电压为数百伏以上。由于其高功率应用的特点，功率器 件对于封装可靠性有着特殊要求。在功率器件中，铜引线框架( c u ) 和环氧模塑 料( e m c ) 有较大的接触面积，且二者的界面边缘与空气接触，易受外界环境中 湿热等因素的影响，同时也对c u 和e m c 接触界面的特性敏感。例如在潮湿环境 中，湿气会从c u 酬c 界面边缘扩散至界面中的微孔隙，导致界面抵抗分层的能 力下降，并在高温回流过程中器件中的湿汽发生气化膨胀形成高的蒸气压力，使 c u e m c 界面出现分层失效，并进一步影响到内部的芯片层。另一方面，c u 表面 的特性也会影响c u e m c 界面的粘接强度，使分层易于发生。在塑封功率器件中， c u e m c 分层失效问题较为普遍。针对该问题，本文对c u e m c 界面进行了两个方 面的探讨：一是对c u e m c 界面吸湿后的性能进行研究；二是对c u 表面不同氧化 程度对c u e m c 界面性能的影响进行研究。进而对铜引线框架氧化工艺和器件存 放过程中的湿热老化过程的控制和条件提出改进措施。 本文采用有限元模拟与界面强度、断裂实验相结合的方法对c u e m c 分层问 题进行研究，主要研究了以下几个方面的内容： 首先对典型的实际功率器件进行有限元分析，建立三维模型，按照j e d e c 热 循环实验标准，计算环境温度变化范围- 4 5 。c 1 2 5 。c 时，器件内温度、应力和应 变随时间的变化关系。结果显示，在c u e m c 界面上应力较大，高应力可能导致 c u e m c 界面分层破坏。 为保证c u e m c 界面样品与实际器件相同，样品均按照实际生产工艺条件制 备，只是内部不包含芯片和焊料层。然后，进一步研究c u e m c 界面剪切强度随 铜在1 6 5 。c 下纯氧氧化时间、以及8 5 8 5 r h 条件下湿热老化时间各自的变化规 律。c u e m c 界面随c u 板氧化时间先增加，后下降，最后趋于不稳定a 对于湿热 老化处理的样品，剪切强度先迅速下降后趋于稳定。对界面的观察也发现分层界 面形貌随c u 氧化时间、e m c 吸湿条件而变化。根据实验结果，本文提出了最优 的氧化处理时间为8 分钟，样品存放条初期2 4 小时内湿热产生的影响最大。 为研究c u 表面氧化及湿热对c u e m c 界面分析断裂的影响，将样品经过铜氧 化或湿热处理后，制备微小预裂纹，对样品进行剪切实验，通过最大剪切力和样 品实际尺寸，用有限元方法计算得到裂纹尖端的临界j 积分，j c 。发现j c 随氧 化和湿热处理时间变化的规律与剪切强度随二者变化规律有着相同的趋势。对于 复旦大学硕士学位论文 实际器件结构，当承受温度荷载时，计算了c u e m c 界面不同位置的j 积分值， 发现j 积分较大的位置与s a m 观察结果中分层最明显的位置一致。并且，对同一 位置分析了预裂纹长度和温度对界面裂纹扩展的影响。 通过上述研究，根据模拟分析结果确定了功率器件内最易分层的部位 c u e m c 界面：通过c u e m c 界面强度、断裂实验和模拟分析，发现铜板氧化时间、 吸湿程度对c u e m c 界面强度影响显著，由此提出最佳的铜氧化工艺条件和样品 存放条件；采用j 积分预测器件内裂纹最可能发生扩展的位置在远离引脚的 c u e m c 界面上，还分析了裂纹长度和温度对c u e m c 分层的影响。 关键词：功率器件，封装，分层，铜引线框架氧化处理，剪切强度，j 积分 中图分类号：t n 4 0 6 复旦大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h em i n i a t u r i z a t i o na n dh i g hd e n s i t yi m p r o v i n go fp l a s t i ce l e c t r o n i c p a c k a g i n g ，t h ep a c k a g i n gf o rp o w e rd e v i c e si si nt h es a m et r e n d p o w e rd e v i c e sa r e u s e dt os w i t c ha n dc o n t r o le l e c t r i ce n e r g y d u et oi t sh i g h p o w e rf e a t u r e ，ap o w e r d e v i c eh a ss p e c i a lr e q u i r e m e n t sf o rp a c k a g i n gr e l i a b i l i t y i np o w e rd e v i c e s ，t h e i n t e r f a c i a la r e a sb e t w e e nl e a d f r a m e ( c u ) a n de p o x ym o l d i n gc o m p o u n d ( e m c ) a r e l a r g e f u r t h e r m o r e ，t h ei n t e r f a c e so ft h et w om a t e r i a l sa r eu s u a l l ye x p o s e di na i ra n d t h e ya r es e n s i t i v et oe n v i r o n m e n t ，e g t h em o i s t u r e ，h e a te t c f o ri n s t a n c e ，m o i s t u r e c a nd i f f u s ea l o n gt h ei n t e r f a c e si n t ot h ep a c k a g ea n db et r a p p e di ns m a l lv o i d s t h e m o i s t u r ew i l le v a p o r a t ed u r i n gs o l d e rr e f l o wt om a k et h ei n t e r f a c ed e l a r n i n a t eb yt h e h i g h e rv a p o rp r e s s u r ei nt h ep a c k a g e a st h ec u e m ci n t e r f a c e sd e l a m i n a t e d ，t h e f u n c t i o no fs i l i c o nd i e sm a yb ea f f e c t e d o nt h eo t h e rh a n d ，t h ec u e m ci n t e r f a c e s a r ea l s oi nt e r m so fc us u r f a c eo x i d a t i o n i nt h i st h e s i s ，t h ea d h e s i v es t r e n g t ho ft h e c u e m ci n t e r f a c e sw a ss t u d i e di nt w ow a y s ：o n ei sr e l a t e dt om o i s t u r ea b s o r b i n g ，a n d t h eo t h e ri st h ee f f e c t so fc us u r f a c eo x i d a t i o nt i m e t h ec o n t r o l l i n go fc ul e a d f r a m e o x i d a t i o np r o c e s s i n ga n dh y g r o t h e r m a la g i n gt i m ed u r i n gd e v i c es t o r a g ew e r e s u g g e s t e d i nt h et h e s i s ，w ec o m b i n e df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) w i t he x p e r i m e n t so n i n t e r f a c es t r e n g t ha n df r a c t u r et oa n a l y z et h ec u e m cd e l a m i n a t i o n 1 1 圮m a j o r c o n t e n t si n c l u d e ： t ob e g i n 、) l ，i t l l ，w ec a r r i e do u t3 df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) f o rs o m et y p i c a l p o w e rd e v i c e s t h et e m p e r a t u r e ，s t r e s sa n ds t a i nd i s t r i b u t i o nw e r ec a l c u l a t e du n d e r c y c l i ct h e r m a ll o a d i n g ( - 4 5 0 c - 1 2 5o c ) a c c o r d i n gt oj e d e cs t a n d a r d s n er e s u l t s s h o w e dt h a tt h es t r e s s e sa tt h ec u e m ci n t e r f a c ea r ei nh i g hv a l u e ，w h i c hm a yl e a dt o t h ed e l a m i n a t i o no fc u e m ci n t e r f a c e t og u a r a n t e et h es a m p l e so fc u e m cw e r ea g r e e d 诚也t h er e a ld e v i c e s ，t h e p a c k a g es a m p l e sw e r ef a b r i c a t e db ys t a n d a r dc o m m e r c i a lp r o c e s sw i t h o u td i e t h e n w es t u d i e dt h es h e a rs t r e n g t ho fc u e m ci n t e r f a c e sw i t hd i f f e r e n tc ul e a d f r a m e o x i d a t i o nt i m eu n d e r16 5 ( 2a n dh y g r o t h e r m a la g i n gt i m eu n d e r8 5 。c 8 5 r h i ti s s h o w e dt h a tt h ei n t e r f a c es t r e n g t hf i r s t l yi n c r e a s e sw i t ho x i d a t i o nt i m e ，t h e nf a l l sa n d f m a l l y i tt e n d st ob eu n s t a b l e f o rh y g r o t h e r m a la g e ds a m p l e s ，t h es h e a rs 仃e n g t h d r o p sd r a m a t i c a l l ya n dt h e ng e t ss t a b l e b a s e do nt h er e s u l t s ，w es u g g e s tt h a tt h e o p t i m a lo x i d a t i o np r o c e s s i n gi s8m i n u t e sa n d t h em o s tr e a s o n a b l es t o r a g et i m ei sl e s s 复旦大学硕士学位论文 t h a n2 4h o u r s t os t u d yt h ei m p a c t so fc us u r f a c eo x i d a t i o na n dh y g r o t h e r m a lp r o g r e s so n c u e m ci n t e r f a c ef a c 吣，t h es m a l lp r e n o t c hc r a c k sa tt h ei n t e r f a c ew e r ep r e p a r e d t h e nt h es h e a r i n ge x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e da f t e rc uo x i d a t i o no rh y g r o t h e r m a l a g i n g a p p l y i n gt h em a x i m u m s h e a rf o r c ea n dg e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，t h ec r i t i c a lj i n t e g r a l ，j c ，i sc a l c u l a t e da s s i s t e db yf e a i ti sf o u n dt h a tj cv a r i e d 诵t l lo x i d a t i o na n d h y g r o t h e r m a la g i n gt i m e t h et r e n di ss i m i l a rt ot h a to fs h e a rs t r e n g t h s w h e nt h er e a l d e v i c e sw e r es u b j e c t e dt ol o w e rt e m p e r a t u r e ，ji n t e g r a lo fc u e m ci n t e r f a c ea t d i f f e r e n tp o s i t i o nw e r ec a l c u l a t e d t h el o c a t i o no fh i g h e rjv a l u ei sa g r e e dt ot h e d e l a m i n a t i o ns i t eo b s e r v e db ys a m f o rt h ec r a c k sa tt h es a m ep o s i t i o n ，ji n t e g r a l p r e d i c t e dt h ee l j f e c to ft e m p e r a t u r ea n dc r a c kl e n g t ho n c r a c kp r o p a g a t i o n i ns u m m a r y , t h es i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h ei n t e r f a c eo fc u e m ci np o w e r d e v i c e sa r ei nh i g h e rs t r e s s e sa n dt h e ni nh i g h e rp o s s i b i l i t yo fd e l a m i n a t i o n b a s e do n t h ei n t e r r a c i a le x p e r i m e n t sa n da n a l y s i s ，t h ec uo x i d a t i o na n dm o i s t u r ee 妇f e c to nt h e i n t e r f a c es h e a rs t r e n g t ha n dd e l a m i n a t i o nf i a c t l l r ew e r ei l l u s t r a t e d t h eo p t i m i z e dc u o x i d a t i o na n dp a c k a g e ss t o r a g ec o n d i t i o n sw e r es u g g e s t e d t h ej - i n t e g r a la n a l y s i s p r e d i c t st h em o s td a n g e r o u sp o s i t i o no fd e l a m i n a t i o nf o rc u e m ci n t e r f a c e m o r e o v e r , t h ei n t e r r a c i a lc r a c kp r o p a g a t i o n 、析mv a r i e dc r a c kl e n g t ha n dt e m p e r a t u r e w a sd e l i n e a t e du s i n gj - i n t e g r a l k e yw o r d s ：p o w e rd e v i c e ；e l e c t r o n i cp a c k a g e ；d e l a m i n a t i o n ；o x i d a t i o nc o n t r o lo f c ul e a d f r a m e ；s h e a f i n gs t r e n g t h ；j - i n t e g r a l c h i n e s ec l a r i f i c a t i o n ：t n 4 0 6 复口1 人学倾f j 学位论义 第一章引言 1 1 电子封装的发展历程 所谓封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、 密封、保护芯片和增强电热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路 的桥梁芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制 板上的导线与其他器件建立连接【1 1 。 集成电路发展初期，封装主要是在半导体晶体管的金属圆形外壳上增加外引 线而形成的。但金属外壳的引线数受结构限制，不能无限增多，从而出现了扁平 封装。而扁平式封装不容易焊接，随着波峰焊技术的发展出现了双列直插式 d i p ( d u a li n l i n ep a c k a g e ) 封装。由于整机小型化的需要，相继又产生了四面引 线扁平q f p ( q u a df l a tp a c k a g e ) 封装，针栅阵列p g a ( p i ng r i da r r a yp a c k a g e ) 封装，球栅阵列b g a ( b a l lg r i da r r a yp a c k a g e ) 封装等等。为了适应集成电路发展 的需要，还出现了功率型封装，混合集成电路封装，以及适应某些特定环境和要 求的恒温封装，抗辐射封装和光电封装。 绝大多数中小规模集成电路( i c ) 均采用d i p ( d u a li n - - l i n ep a c k a g e ) 封装形 式，如图1 所示。其引脚数一般不超过1 0 0 个。采用d i p 封装的c p u ：邕：片有两 排引脚，需要插入到具有d i p 结构的芯片插座上。当然，也可以直接插在有相 同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。d i p 封装的芯片在从芯片插座上插拔 时应特别小心，以免损坏引脚。d i p 封装具有以下特点：1 、适合在p c b ( e jj 昂0 电 路板) 上穿孔焊接，操作方便。2 、芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也 较大。i n t e l 系列c p u 中8 0 8 8 就采用这种封装形式，缓存( c a c h e ) g l 早期的内存 j 薛片也是这种封装形式。 图1d i p 封装 q f p ( q u a df l a tp a c k a g e ) 封装的芯片引脚之间距离很小，管脚很细，如图2 所示。一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装形式，其引脚数一般在10 0 个以上。用这种形式封装的芯片必须采用s m t ( s u r f a c em o u n t e dt e c h n o l o g y 表 面贴装技术) 将芯片与主板焊接起来。采用s m t 安装的芯片不必在主板上打孔， 一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊点。将芯片符脚对准相应的焊点，巳| j 可实现与主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片，如果不用专用工具是很难拆卸 下来的。p f p ( p l a s t i cf l a tp a c k a g e ) 方式封装的芯片与q f p 方式基本棚同。唯一 的区别是q f p 一般为正方形，而p f p 既可以是正方形，也可以是长方形。q f p p f p 封装具有以下特点：1 、适用于s m d 表面安装技术在p c b 电路板上安装布线； 2 、适合高频使用；3 、操作方便，可靠性高；4 、芯片面积与封装面积之间的比 值较小。a k 5 l ，w i f i 等机种上用到。 图2q f p 封装 p g a ( p i ng r i da r r a yp a c k a g e ) 芯片封装形式在芯片的内外有多个方阵形的插 针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列，如图3 所示。根据引脚 数目的多少，可以围成2 5 圈。安装时，将芯片插入专门的p g a 插座。为使c p u 能够更方便地安装和拆卸，从4 8 6 芯片开始，出现一种名为z i f 的c p u 插座， 专门用来满足p g a 封装的c p u 在安装和拆卸上的要求。z i f ( z e r oi n s e r t i o nf o r c e s o c k e t ) 是指零插拔力的插座。把这种插座上的扳手轻轻抬起，c p u 就可很容易、 轻松地插入插座中。然后将扳手压回原处，利用插座本身的特殊结构生成的挤压 力，将c p u 的引脚与插座牢牢地接触，绝对不存在接触不良的问题。而拆卸c p u 芯片只需将插座的扳手轻轻抬起，则压力解除，c p u 芯片即可轻松取出。p g a 封装具有以下特点：1 、插拔操作更方便，可靠性高。2 、可适应更高的频率。i n t e l 系列c p u 中，8 0 4 8 6 和p e n t i u m 、p e n t i u mp r o 均采用这种封装形式。 图3p g a 封装 当i c 的管脚数大于2 0 8p i n 时，传统的封装方式有其困难度。因此，除使用 2 复口人学坝卜位论义 q f p 封装方式外，现今大多数的高脚数芯片皆转而使川b g a ( b a l l g r i da r r a y p a c k a g e ) t , j 装技术。b g a 封装具有以下特点：1 、i 0 引脚数虽然增多，但引脚 之间的距离远大于q f p 封装方式，提高了成品率：2 、虽然b g a 的功耗增加， 但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善电热性能；3 、组装可用l 面焊接，可靠性大大提副2 ，3 1 。 图4b g a 封装 1 2 塑料封装常见可靠性问题 塑料封装一般采用环氧树脂作为包封材料，由于环氧树脂的吸湿特性以及环 氧与其他材料界面上热膨胀系数的失配，限制了其在航空、军工等高可靠性领域 的应用【4j 。虽然随着封装材料及塑封工艺的进步，塑封器件的可靠性已经极大提 高，但是湿热应力导致的失效仍然是最主要的失效形式。塑料封装器件的可靠性 问题可以分为早期失效和使用期失效。 早期失效多是由封装工艺的不完善或缺陷造成的，主要发生在芯片焊接，引 线键合，模塑料注塑等封装工艺过程中。主要的表现形式有以下四个方面： f 1 ) 芯片焊接缺陷。如焊料空洞，芯片位置未对准，焊料溢出焊盘造成短路， 芯片焊接不牢等。 f 2 ) 引线键合缺陷。如键合点脱落，键合位置错误，键合点拖尾过长，键合 力度过大导致钝化层破损或芯片裂纹，引线问短路，引线形状( w i r el o o p ) 异常等。 ( 3 ) 注塑时由于塑封料流动性问题造成的封装缺陷。如冲丝造成的金线问短 路或金丝断裂，塑封料层空洞、气孑l 或填充不完全，基板移动等。 ( 4 ) 塑封料固化时热收缩应力造成的封装缺陷。如引线、焊球的损伤或断裂， 芯片钝化层或金属化条的损伤，粘接界面分层等。 使用期失效顾名思义是发生在器件服役过程中的失效。使用期失效机制大致 可以分为因材料热膨胀系数差异所导致的热应力破坏与湿气渗透所导致的破坏 两大类： ( 1 ) 热应力破坏：在温度循环及高温下，由于塑封料与芯片、引线框架材料 复旦大学硕士学位论文 热膨胀系数的差异，封装体内局部产生应力集中。当应力水平超过封装材料的屈 服强度或断裂强度时，就会引发失效。特别需要指出的是环氧树脂的玻璃化转变 温度( t g ) t 匕较低，在此温度附近树脂材料的热膨胀系数( c t e ) 和杨氏模量对温 度非常敏感，c t e 和杨氏模量会发生显著的变化，功率器件的工作温度往往会 接近树脂的t g ，容易产生可靠性问题。最常见的现象是封装分层，塑封料与芯 片、引线框架的粘接面在应力作用下剥离，这会进一步加剧水汽的渗透。严重情 况下会导致芯片表面金属化层或钝化层的破损：在某些因散热不当芯片表面局部 高温甚至会使塑封料碳化，造成金属条间短路；长期工作条件下还存在焊料或焊 球在热循环应力下的疲劳失效等。 ( 2 ) 湿气破坏：湿气可以通过粘接界面或环氧树脂本身渗透进入封装体内 部，这里所谓的“湿气( m o i s t u r e ) ”可能以单一的蒸汽状态存在，也可能以气液 混合状态存在。器件在实际工作过程中很多失效都可以归结为湿气破坏。湿气 如果带有较多的离子，很容易造成芯片表面或引线框架的腐蚀，使器件的电性能 退化或失效。而腐蚀会加速粘接面上树脂的离解，使得湿气更容易渗透至封装体 内部。爆米花效应。塑封器件在回流焊过程中，管壳中吸附的水分快速汽化， 内部水汽压力过大使塑封料膨胀，出现分层剥离和开裂现象。这种分层的危害性 很大，在器件装配时造成引线焊球移位、脱落或断裂，严重情况下甚至造成管 壳开裂，芯片破损【5 j 。 通常使用期失效是湿气和热应力共同作用的结果【6 l 。 半导体封装小型化，对工艺要求更加精细，使操作更加困难，从而令这些缺 陷和失效更容易发生。高密度封装的趋势也对功率器件提出了挑战。随着塑料封 装形式的发展变化，功率器件的封装形式也向着小型化，多样化，高集成度发展。 而功率器件由于其本身的大功率，散热等特殊性对封装有着更高的要求。 1 3 功率半导体器件及其封装形式 功率半导体器件主要用于处理电能( 频率变换、功率变换和控制) ，通常器件 中电流为数十至数千安，电压为数百伏以上，具有高功率应用的特点1 7 j 。 功率半导体器件的发展，大致可分为三个阶段。即六七十年代应用于电力系 统、机车牵引方面的晶闸管( s c r ) 和大功率达林顿晶体管( d t ) ；八九十年代应 用于4 c 产业( 通信，计算机，消费电子，汽车) 的功率绝缘栅型场效应晶体管 ( m o s f e t ) ；和二十一世纪之后与集成电路结合愈来愈紧密的阶段【8 j 。 由于m o s 器件的发展，功率半导体器件应用的覆盖范围有了根本的变化。 过去主要用于工业控制，如大型电机、电解、牵引等方面。现在，由于m o s 器 件的加入，中小功率的应用有了迅速发展，理解到对量大面广的日用电器节能也 4 复旦大学硕士学位论文 十分重要。另外，节能对功率很小的便携式电器更为重要，因为它大大延长了电 池的使用时间。目前功率晶体管( 绝缘栅型场效应晶体管( m o s f e t ) 及绝缘栅 双极型晶体管( i g b t )已成为功率晶体管的主体) 大约用于工业控制、日用电 器、通信、便携式电器( 包括电脑) 及汽车电子等五个方面1 4 j 。 功率半导体器件的封装形式可非常粗略地分成下述五种： 1 大功率器件用的传统的螺栓型或平板型封装。 对大功率半导体器件来说，其主要的封装模式这些年没有很大的变化。众所 周知，平板型结构的外壳和管芯是以压接接触的，因而可避免焊接应力。同时平 板型的结构可以采用双面散热。而螺栓型外壳和管芯则可以是焊接的，也可以是 压接的，或称为内压接式。 2 较大功率器件所用的模块封装。 近年来i g b t 模块也日益普及，单个i g b t ，双i g b t ，或i g b t 的三相桥等，其 模块结构有一定差异。如果将保护、触发甚至控制电路和i g b t 都一起放入模块 中，其形式将更多。如果功率小一些则可以采用m o s f e t 模块。目前还有多芯片 模块( m c m ) 出现，是封装技术的一个新方向。 3 塑封直列式封装。 最常见的有t o 2 2 0 、t o 2 4 7 ，这两种封装形式，见图5 ( a ) 、( b ) 。这种塑封 方式，实际上已可传送很大的电流。现在i r ( 国际整流) 公司采用s u p e r t o 2 4 7 封装m o s f e t 已可达至u 2 1 0 a 。另外i i 沥采用的s u p e r 2 4 7 的封装，其电流容量可达 同样封装的两倍。当然为了散热，这些塑封器件还用夹具来使其紧贴线路板或散 热器的，从而达到散热的目的。 4 塑封表面贴装，以及各种类似于i c 的封装。 功率器件的表面贴装是八十年代后发展起来的。有的是将原有的直列式封装 直接改为表面贴装的，如s m d 一2 2 0 ；也有沿用了许多为集成电路发展起来的各种 封装形式。一般分立器件采用两端和三端的封装，但也有用八端的如s o 一8 ，见 图5 ( c ) ，或m i c r o 8 等，虽然单个分立器件不需要很多端子，但增加端子可以有 利于电流流出并取得更好的散热效果。目前双芯片的封装很多采用m i c r o 8 的封 装形式，s o 8 也是常用的封装。集成电路的封装形式开始时多用双列直插封装 ( d i p ) ，见图5 ( e ) 。i r 公司的微电子继电器目前仍用这种封装。 5 高可靠性封装。 一般用于航天或军工。为提高可靠性，外壳多采用金属封装 9 1 。 j 穆 ( a ) t o 一2 2 0( b ) t o 一2 5 2( c ) s o 一8( d ) s o t - 2 2 3 缔虱 ( e ) d i p( f ) p o w e r p a k 图5 功率器件常见塑料封装形式 功率半导体器件对于电子封装有着特殊的技术要求：( 1 ) 、设计紧凑，这种 封装设计的关键问题是使硅片与散热器之间的热阻达到最小，同样使模块输入输 出接线端子之间的接触阻抗最低，彳+ 能实现新一代芯片的通流能力；( 2 ) 、散热 性能好，由于芯片本身有热辐射，要求封装设计时能尽可能地做好散热保护工作； ( 3 ) 输出功率大，要求这种封装设计必须具有足够的绝缘电压。( 4 ) 温度梯度 大，这就要求内外流通性好，芯片发热要尽快散至外部环境内；( 5 ) 适应汽车电 子的高可靠性要求，用于汽车电子的功率器件，对于可靠性有着更高的要求， 在出厂检测时要求有更严格的成品标准。 1 4 功率器件封装可靠性问题( c u e m c 分层) 在功率器件内部，中心芯片和外部封装料之间的温度梯度较大，容易引材料 层间热失配。而且，功率器件在汽车电子上的应用，对其安全性和可靠性提出了 更高的要求。 塑料封装是当前功率器件封装的主要形式，这是源于塑料封装在成本，可靠 性，尺寸，重量等方面上无可比拟的优势。据统计，目前功率i c 及分立器件9 2 以上采用了塑料封装。但塑料封装是非气密性封装，尽管由于封装材料的进步及 封装工艺的改进，塑料封装的工艺缺陷已经可以降低到非常低的水平，而且塑 封器件在抵御潮气及热应力而引起失效的能力已经大大提高。目d 仃塑封器件主要 的可靠性问题是使用期失效，特别是在湿热环境中由封装气密性造成的失效，这 在高电压，高电流，高工作温度的功率器件上表现得尤为突出。在可靠性试验及 器件服役过程中，环氧塑封料( e p o x ym o l d i n gc o m p o u n d ，简称e m c ) 与引线框架 以及芯片表面之间发生界面分层是一个普遍现象。分层会导致一系列的失效模 式，包括封装体断裂，芯片及引线框架材料的腐蚀0 ，金属化断裂，钝化层破损， 6 复口人学倾i j 学位论文 焊球移动或引线断裂。这会导致芯片的电性能退化或失效。功率器件的广泛应用 对封装提出了越来越高的可靠性要求，分层失效闩益引起关注。但这方面的研究 还相当有限，【划此非常有必要探讨塑料封装分层的机理，针对失效机理提出封装 工艺改进，有较强的实用性】。 实装 图6 封装器件中水汽引起的分层开裂过程【i 副 各种实际功率器件中包含了引线框架，环氧模塑料，焊料，芯片等多种材料。 这些材料之问存在着各种界面。由于封装形式不断向小型化，高密度发展，材料 界面的分层失效越来越成为令人关注的一个问题。铜合金由于具有优良的导电、 导热性能，高焊点可靠性和低廉的价格，目6 仃已经成为最主要的引线框架材料， 在集成电路上占到市场份额的8 0 以上。而在众多的界面中，铜引线框架材料与 环氧模塑料的界面( c u e m c ) 粘接强度较低，容易产生界面剥离。对于功率器 件来说，器件中c u e m c 界面存在较多，面积较大，分层问题更为显割j 。 c 彬e m c 失效主要有以下几个原因： ( 1 ) 当两种材料的热膨胀系数相差较大时，分层问题尤其显著。e m c 高分 子材料热膨胀系数显著高于铜，硅等无机材料。因此，制造、组装8 j s , j j 试不同工 艺步骤中的热效应将引起这些材料层问的应力集中i i 4 | 。 ( 2 ) 环氧模塑料是亲水性高聚物，在前期一些常温的工艺过程中，环氧树 脂往往会吸收一定量的水汽积聚在二者界面中【i 川。 ( 3 ) 无铅焊料的使用，造成了更高的回流温度【l6 1 。高温回流过程使环氧原 本吸收的水汽极易扩散侵入器件的缺陷，产生极高的饱和蒸气压。研究表明【l7 | ， 7 复旦大学硕士学位论文 温度每升高3 0 ，饱和水蒸汽压就提高一倍。无铅焊将回流温度从2 3 0 。c 提高到 2 6 0 左右，在这样的高温高压情况下， 纹尤其容易产生、扩展和延伸。 图6 是对开裂过程的一个简单描述， 在环氧树脂和铜引线框架的界面处，裂 器件在常温保管时已吸收了空气中水 分。在封装回流焊时，2 3 0 。c 左右的高温使水分膨胀，在c u 底板和环氧树脂粘合 处形成裂纹，随着温度不断增加，这些裂纹不断增大致使整个器件开裂毁坏。 1 5 本文的主要内容 针对功率器件封装中易出现的c u e m c 界面的分层问题，本文通过剪切强 度、断裂实验和有限元模拟相结合的方法，研究c u e m c 界面的性能。从两方 面提出了改善界面粘接强度的措施。一方面，对工艺过程中铜的热氧化时间进行 了工艺控制，找出了具有最好界面强度的最佳氧化时间。另一方面，对使用和存 放过程中的湿热条件提出了要求。找到了能有效避免分层发生的使用和存放条 件，并在此基础上对分层的危险位置作了合理的预测。 1 用有限元模拟的方法，为真实功率封装器件建立三维模型，模拟器件在温 度循环载荷过程中的内部温度和应力分布。发现c u e m c 界面上随温度变化而 导致的应力集中。应力集中是引起器件内分层失效的一个重要因素，因此，有必 要对功率器件中c u e m c 界面进行进一步研究。 2 为了针对c u e m c 界面的分层问题作进一步的研究，在标准生产工艺条 件下制备了不含内部芯片层的器件，对c u e m c 界面进行剪切实验，得到界面 剪切强度。本文考虑了铜表面的氧化问题和器件湿热处理的问题。研究了铜的工 艺热氧化时间对c u e m c 界面剪切强度的影响，提出使剪切强度达到最高的最 优氧化工艺条件；另外，研究了湿热老化处理时间对c u e m c 界面剪切强度的 影响，提出避免样品吸湿以提高界面剪切强度的方法。 3 制备了包含预裂纹的样品进行剪切断裂实验，采用j 积分表征c u e m c 界面的分层断裂。由此获得不同条件下，c u e m c 界面的临界j 积分变化趋势。 进而，通过对实际器件在温度荷载下，不同c u e m c 界面位置j 积分大小的比较， 得到容易发生分层的危险位置，并讨论了裂纹尺寸和温度对c u e m c 分层断裂 的影响。 复旦大学硕j ：学位论文 第二章、真实器件的应力应变模拟分析 对于实际的功率封装器件，我们首先要对其进行3 d 有限元模拟，目的是得 到其内部的温度、应力和应变分布，从而进一步观察和分析应力集中的区域，即 失效或分层易于发生的位置。 2 1 有限元方法简介 目前在工程领域内常用的数值模拟方法有：有限元方法、边界元法、离散单 元法和有限差分法，但就其广泛性而言，主要还是有限元法。有限元方法是将所 探讨的工程体系( e n g i n e e r i n gs y s t e m ) 转化成一个有限元系统( f i n i t ee l e m e n t s y s t e m ) ，该有限元系统由节点( n o d e ) 及单元( e l 咖e n t ) 组合而成，组合成的系统模 型取代原有的工程体系。它的基本思想是将问题的求解区域划分为一系列的单 元，单元之间仅靠节点相连接。单元内部的待求量可由单元节点量通过选定的函 数关系插值得到。由于单元形状简单，所以易于通过平衡关系和能量关系建立单 元节点量的方程式，然后将各单元方程集组成总体代数方程组，计入边界条件后 可对方程求解1 1 8 j 。 a n s y s 软件是一套功能强大的有限元通用分析程序，具有强大的前处理、求 解和后处理能力，它是由美国a n s y s 公司在2 0 世纪7 0 年代开发出来的，经过不 断的进一步开发和升级，目前广泛应用于土木、航天、汽车、机械、电子等各个 领域，可以满足用户从设计、计算、制造全过程的使用要求。a n s y 自带的a p d l 语言可以直接以a n s y s 程序为平台，为用户提供二次开发。a n s y s 程序可以采 用a p d l 命令流方式输入模拟分析，也可以用g u i 菜单交互式输入方式建模。前 者最适合科研人员对同一产品进行参数分析，方便修改，占用计算机资源少：后 者简单、直观，适合对己确定的模型进行快捷的分析。 集成电路封装器件在使用过程中由于湿热老化和环境温度的周期性变化以 及材料的热膨胀失配，在不同材料界面处产生交变的应力和应变，导致分层失效。 由于界面情况复杂，目前，理论模拟的方法是对电子封装可靠性分析的重要手段 之一。此方向应用最广的软件即a n s y s 。a n s y s 在电子封装中的应用很广泛， 从设计到分析都可以采用。另外，a n s y s 还可用于界面断裂的参数计算。通过 实验得到的参数和有限元模型来计算裂尖j 积分【l9 1 。 a n s y s 分析步骤： a n s y s 分析过程中包含3 个主要步骤： l 、创建有限元模型 9 复旦大学硕士学位论文 ( 1 ) 创建或输入几何模型。 ( 2 ) 定义材料属性。 ( 3 )划分网格( 产生节点及单元) 。 ( 4 ) 定义单元节点属性。 2 、施加载荷并求解 ( 1 )施加载荷。 ( 2 ) 设定约束条件。 ( 3 ) 求解。 3 、查看结果 ( 1 )查看分析结果 ( 2 ) 检查结果。 2 2 分析思路与过程 温度场随时间发生变化的传热过程称为非稳态传热。实际上，无论是自然界 还是在工程中，绝大部分传热过程都是非稳态传热。这类传热按照其过程进行的 特点，可分为周期性传热和非周期性传热两种。在周期性的传热过程中，导热物 体内的温度以一定的规律，随时间周期性地变化。如自然界大地表层土壤在一昼 夜和一年四季中，它的温度场都是周期性变化的。在非周期性的传热过程中，物 体内的温度随时间不断升高或降低，并在经历相当长的时间后渐渐趋于周围介质 的温度而最终达到平衡。这类传热过程又称为瞬态传热。 瞬态热分析的载荷是随时间变化的，为了表达随时间变化的载荷，首先必须 将载荷一时间曲线分为载荷步。载荷一时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步【2 0 】。 m el 那n e ( 丑) b 图7 瞬态分析的载荷步2 1 在本章中，我们用a n s y s 作有限元瞬态热分析来得到模型内部的温度分布， 即对模型所有外表面施加一个温度循环载荷以模拟器件工艺过程中经历的多次 升降温过程。在外表面温度循环的过程中，得到其内部温度随外表面发生的大小 及分布情况变化。 1 0 复旦人学硕士学位论文 图8 热结构耦合分析的基本过程 得到温度分布后，还要做热结构耦合分析以得到各个时间点的应力应变分 布。温度热应力求解的基本过程如图8 所示。在经过热分析得到不同时间点模 型内部的温度分布之后，选择某一特定时间点的温度分