电子封装功率模块PbSnAg 焊层热循环可靠性

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电子封装功率模块PbSnAg 焊层热循环可靠性

张胜红, 王国忠, 程兆年 (中国科学院上海冶金研究所, 上海200050)
[摘　要] 对电子封装IGBT 功率模块进行热循环实验, 考察了92. 5Pb5Sn2. 5Ag 钎料焊层的热循环失效和裂纹扩展。应用超声波显微镜对裂纹扩展过程进行检测, 得到了热循环失效的裂纹扩展数据。采用统一型粘塑性Anand 方程描述了92. 5Pb5Sn2. 5Ag 的力学本构, 模拟了功率模块钎料焊层裂纹体在热循环条件下的应力应变。
基于对ΔJ 积分的求解, 描述了PbSnAg 焊层热循环裂纹扩展速率。

[关键词] 92. 5Pb5Sn2. 5Ag 钎料; 热循环; 裂纹扩展; 粘塑性; ΔJ 积分
[中图分类号] TG40 ; O241. 82 　　　　　　　　　　　[文献标识码] A

　电子封装技术的发展要求电子封装(或组件) 在更趋恶劣的环境下工作。例如, 为了获得更快的响应, 汽车电子的功率模块更接近于发动机, 使功率模块在较高的交变温度条件(如- 65 ℃～ + 150 ℃)下工作。功率模块芯片与基板(连散热器) 的连接通常采用软钎料合金(如SnPb 基合金) , 在热循环条件下, 由于材料的热膨胀失配, 在钎料焊层产生交变的应力应变过程, 导致裂纹的产生和扩展, 使芯片与基板的机械/ 热连接失效。功率模块连接焊层的热循环失效已成为制约提高电子模块功率的一个关键因素, 引起了人们的重视[1 , 2 ] 。现有的研究方法主要采用加速疲劳实验, 并由此分析焊层的失效情况[3 ] , 对SnPb 基钎料焊层失效过程的检测、裂纹扩展过程等还未见报导, 采用模拟方法研究功率模块焊层的热循环失效尚不多见 。

目前, 对电子封装SnPb 基钎料焊点(或焊层)可靠性的评估, 主要有两类方法: 一类采用低周疲劳的Coffin2Manson 经验方程(即C2M 方程) ; 另一类基于断裂力学方法, 采用合适的力学参量来描述裂纹扩展速率[6～8 ] 。由于功率模块的钎料焊层面积大(8. 5 mm ×9. 3 mm) 、厚度小(～60μm) , 此时,热疲劳失效行为可能与采用循环应变范围的C2M方程描述的失效行为有所不同[4 ] 。另外, 焊层的失效是由裂纹的产生和扩展引起的, 研究SnPb 焊点的裂纹扩展过程, 可以提供描述裂纹扩展速率的方法, 并由此对热循环寿命进行较准确的估计。
本研究对IGBT 功率模块进行了温度循环实验, 对92. 5Pb5Sn2. 5Ag 钎料焊层裂纹扩展过程进行检测, 模拟功率模块SnPbAg 焊层裂纹体在热循环条件下的应力应变。采用力学参量ΔJ 描述焊层热循环裂纹扩展速率。