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空洞对功率芯片粘贴焊层热可靠性影响的分析
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
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