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智能功率模块可靠性的有限元仿真研究

王勇  
【摘要】:随着半导体科技的不断进步,一种新型的功率器件——智能功率模块(Intelligent Power Module)正在被人们广泛的接受和应用。智能功率模块与传统功率模块相比,引入了保护电路,将低压关断,短路保护等控制芯片与IGBT芯片封装在一起,有效提高了模块的可靠性。本文以Fairchild公司的新型智能功率模块FSBB30CH60F为研究对象,使用ANSYS Workbench有限元仿真软件进行多物理场耦合仿真。对于材料的选择充分考虑实际情况和仿真需求。对于焊料层,选用Anand模型描述其粘弹性,参考JEDEC标准进行热-应力的耦合功率循环仿真。对于载荷参数,模块结温和等效应力随耗散功率的增加而升高,最大应力出现在芯片边角处。而循环周期对模块结温和应力的影响较小,在相同的仿真时间内,塑性应变则随循环周期的减小而增加。应变能也和循环周期呈较为明显的反向相关关系。对于工艺参数,焊料层厚度对模块热-机械性能的影响是多方面的,焊料的热导率较低,较厚的焊料层会导致芯片结温上升,降低芯片可靠性,而厚的焊料层却可以提供较大的应变范围,降低芯片和焊料结合面的应力集中。陶瓷材料的选择主要在于其物理性能的差异。焊料层空洞对可靠性的影响主要是增加的接触热阻,芯片结温升高,特殊的空洞位置易造成应力集中,总之,空洞是应该极力避免出现的。


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