【论文】无泵出效应的封装设计

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摘    要
       本文介绍了一种全新的功率半导体封装结构。这种封装结构可以防止模块基板和散热器之间的热介质由于泵出效应而造成模块损坏的现象。该封装结构可以有效减少散热基板由于温度变化而产生的弯曲。

1、引言

目前各种各样的电力电子系统都希望实现更小的体积，但输出更大的功率。因此，作为电力电子系统的核心器件的功率模块需要具有更小的封装并输出更大的功率。功率模块的功率密度相应地得到大幅度提升，但这也对散热设计提出了更高的要求。对于更好的散热设计，一个重要的因素是减小散热基板和散热器之间的热阻。为了实现散热基板和散热器之间更好的接触，一般会使用热热介质来增强基板和散热器之间的接触，然而该热介质的参数，例如厚度、性能和材料特性等，都将影响散热能力和功率模块的可靠性。另一方面，由于IGBT和二极管运行产生的损耗所导致的温度变化，将会造成功率模块散热基板发生形变。散热基板的这种微小而重复的形变将导致热介质被挤出，最终会导致“泵出失效”。为了保证热介质的长期稳定性，需要研发出更为先进的封装结构，以防止基板在连续的温度循环下产生形变。

2、泵出失效的机理

传统功率模块的结构如图2.1所示。其中各种材料的热膨胀系数(CTE)列出在表2.1中。在这种结构中，构成模块的散热基板的DBC，焊接层和铜底板等部件的热膨胀系数各不相同。由IGBT和二极管运行时产生的热将导致壳温变化，因此，各部件由于热膨胀系数不同而造成的伸缩程度也将不同。最终，各层之间不同的张力导致不同的形变，就象典型的双金属结构一样。这种现象就是导致散热基板形变的原因。


图2.2是基板形变现象的示意图。在反复的温度变化下，功率模块基板将像图2.2a)和b)所示的那样反复形变。这种形变将会把热介质挤出，因而这种泵出失效导致散热器和基板之间热接触不充分。接触不充分的结果是功率模块散热能力的下降和热阻Rth(c-s)的上升。在最坏的情况下，功率模块的结温可能会超过最大允许结温而产生热损坏。




3、泵出现象的对策

通过匹配各种材料的热膨胀系数(CTE)，新的封装结构可以显著降低各层材料之间的应力。图3.1显示了这种全新的功率模块结构，表3.1则给出了新结构中各层材料的热膨胀系数。这种新的封装结构采用了固体树脂作为灌封材料，用以替代传统结构中的凝胶。为此，我们不仅开发了基础材料，还开发了一种灌封用的树脂，以使得结合在一起的部件都有一致的热膨胀系数(CTE)。


这种良好匹配的热膨胀系数将帮助散热基板在温度变化下产生更少的形变。图3.2和图3.3显示了环境温度从25℃变化为-40℃时传统结构和新型结构散热基板的应力分析(有限元分析)。为了使区别显示更明显，右图均为放大5倍后的结果。

这个仿真结果描述了使用树脂材料的新型结构优化后的散热基板在温度变化时的形变。结果显示，使用这种新型结构将产生弯曲的几率大大减小。

4、样品实测数据

新型封装基板弯曲和温度的相关性如图4.1和表4.1所示。在实验中，我们通过环境试验箱来控制三个不同的环境温度，用以测量参考点的垂直位移。参考的长度是91mm。表4.1显示了9片样品测量结果的平均值。


当温度从25℃上升到125℃时，测量点位移变化仅为13.4um，这可以说明整个散热基板并没有出现明显的弯曲。另一个实际的实验结果是，在经历了300个热循环后，所采用典型的热介质也没有发生泵出效应。这将使我们开发的新型功率模块发生泵出失效的可能性大大降低。
5、 结论

这种全新设计的功率模块结构将相邻各层的热膨胀系数进行了匹配。这样的改进可以有效地控制散热基板在温度循环下所产生的弯曲，从而能够显著降低由于泵出效应而导致模块损坏的可能性。




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