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空洞对功率芯片粘贴焊层热可靠性影响的分析 技术专栏T~hnologyColumn doi:10.3969/j.issn.1003-353x.2009.10.007 空洞对功率芯片粘贴焊层热可靠性影响的分析 谢鑫鹏,毕向东,胡俊,李国元 (1.华南理工大学电子与信息学院,广州510641; 2.广东省粤晶高科股份有限公司,广州510663) 摘要:采用有限元方法,建立了功率器件封装的三维有限元模型,分析了封装体的温度场和 应力场,讨论了芯片粘贴焊层厚度,空洞等因数对大功率器件封装温度场和应力场的影响.有限 元结果表明,封装体的最高温度为73.45℃,位于芯片的上端表面,焊层热应力最大值为 171MPa,出现在芯片顶角的下面位置.拐角空洞对芯片最高温度影响最大,其次是中心空洞. 空洞沿着对角线从中点移动到端点,芯片最高温度先减小后增加.焊层最大热应力出现在拐角空 洞处,最大值为309MPa.最后分析了芯片粘贴工艺中空洞形成的机理,并根据有限元分析结论 对工艺的改善优化提出建议. 关键词:芯片粘贴;空洞;温度场;热应力;有限元分析 中图分类号:TN305.94文献标识码:A文章编号:1003.353X(2009)10—0960.05 EffectsofVoidsonThermalReliabilityinPowerChipDie AttachmentSolderLayer XieXinpeng,BiXiangdong,HuJun,LiGuoyuan (1.SchoolofElectronicandInformationEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology, Guangzhou510641,China;2.GuangdongYuejingHigh-TechCo.,Ltd.,Guangzhou510663,China) Abstract:A3DFEAmodelofhighpowerdevicespackagingwasconstructedbyfiniteelementanalysis (FEA).Effectsofsolderthicknessofthedieattachmentandvoidingontemperatureandstressdistributionof themodelwerediscussed.Theresultsshowthatthemaximumtemperatureof73.45℃isonthetopofchip andthemaximumstressof171MPainsolderlayerisunderthechipcomer.Comervoidhasthemostsevere influenceonchiptemperaturedistribution,andsubsequentlythecentervoid.Ifthevoidlocationmovedfrom centerpointofthechipdiagonallinetoedgepoint,thehighesttemperatureofthechipdecreasesfirstly,and thenincreases.Themaximumthermalstress309MPainsolderlayerisinthecomervoid.Theformation mechanismofvoidwasdiscussed,andsomesuggestionsbasedontheFEAresultsfordieattachmentprocess wereproposed. Keywords:dieattachment;voiding;temperaturefield;thermalstress;finiteelementanalysis EEACC:2550F 0引言 芯片粘贴工艺是用粘接材料将芯片贴装到金属 引线框架(一般由Cu制成)上的过程.廉价的, 富Pb的PbSnAg软焊料在功率器件封装贴片工艺中 基金项目:广东省自然科学基金(8151064101000014) 960半导体技术第34卷第l0期 作为粘接材料应用十分广泛.从功率器件整体来 看,贴片焊层毫无疑问是影响器件可靠性最重要的 因素之一.PbSnAg软焊料不仅具有良好的导电导 热性能,而且该焊层能够吸收由于芯片和引线框架 之间的热失配能量,产生的应力应变,保护芯片免 于受到机械应力的损伤_1J.功率器件单位体积内的 2009年lO月 谢鑫鹏等:空洞对功率芯片粘贴焊层热可靠性影响的分析 功耗很大,由此带来的芯片热失效和热退化现象突 出.有资料表明,器件的工作温度每升高l0℃, 其失效率增加1倍J.因此,准确模拟大功率器件 封装体的三维温度场