模板-2016届GaN基微波功率器件AuSn界面

BACHELOR'SDEGREETHESISOFHOHAIUNIVERSITYFailureSimulationModelingofAuSnEutecticInterfaceofGaNbasedMicrowavePowerDeviceCollege：MechanicalandElectricalEngineeringMajor：MechanicalEngineeringandAutomationName：ZhaoDirectedby：Dr.FanNANJING GaN、SiC为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、热导率高和介电接半导体以及元器件，其中焊接接头起到了机械支撑、电连接与热传导的作本首先简要介绍了GaN材料的研究历史、基本特性、应用领域以及发展前景。接着，以一款GaN基微波功率器件封装为研究对象，建立了封装器件真技术模拟预测了2种以上冷热循环负载条件下固晶界面的机械性能和散热性装结构中AuSn共晶界面在冷热循环负载条件下的失效机理。：GaN基第三代半导体，AuSn焊料，共晶界面，ANSYS仿真技术GaNandSiC,representingthethirdgenerationsemiconductormaterial,havegoodphysicalandchemicalpropertieswithwiderbandgap,higherthermalconductivityandhigherdielectricconstant.Theyhasaverybroaddevelopmentprospectinoptoelectronicdevices,high-temperatureandhigh-powerdevicesandmicrowavepowerdeviceapplications.Asanindispensablematerialforthefabricationofmicrowavepowerdevices,thesolderjointisusedtoconnectthesemiconductorchipandcomponentsofthedevice,andthesolderjointplaystheroleofmechanicalsupport,electricalconnectionandheatconduction.Thisstudybrieflyintroducestheresearchhistory,basiccharacteristics,applicationfieldsanddevelopmentprospectsofGaNmaterials.TheAuSneutecticinterfaceofthethirdgenerationofmicrowavesemiconductorpowerdevicepackagewasselectedastheresearchobjectofthisstudyandtheAuSneutecticinterfacestructuremodelwasestablishedwithconsideringoftheeffectsofthechip,solderandsubstratematerials.Themechanicalperformanceandheatdissipationperformance(includingthechipjunctiontemperature,substratetemperature,andsoon)ofAuSneutecticinterfacecanbepredictedwiththeANSYSsimulationtool.Inthisstudy,weconsideredmorethantwokindsofthermalcycleloadconditionsinthesimulationmodeling.Thisstudyintegratesthemulti-disciplinaryknowledge(suchasmechanics,physics,materialsscience,etc.)anduseANSYSsimulationtooptimizethedesignofmaterialsandinterfaces.Basedontheresults,thefailuremechanismsofAuSneutecticinterfaceunderthedesignedthermalcycleloadconditionswereyzed.:TheGaN-basedthirdgenerationsemiconductor,AuSnsolder,Eutecticinterface,ANSYSsimulation,Failuremechanisms 第一章绪 研究背 研究意 研究内容与研究方 第二章相关研究基 GaN合金材料简 研究历 基本特 应用领域及发展前 金锡合金焊 性 应 ...................................................................................................焊接技术的改 金锡焊料与基板的界面反 焊点可靠 焊点失效的原 无铅焊点可靠性的测试方 第三章微波功率器件3D模型构 实体模型 实体参 模型构 本章小 第四章AuSn共晶界面失效仿真模拟研 相关方法及理 有限元模拟方法的简 本构方程的构 温度的影 本章小 第五章结果分 微波功率器件的热分 微波功率器件稳态热分 微波功率器件瞬态热分 微波功率器件线性静力分 结果分 第六章结 参考文 研究背

第一 绪第三代半导体（如GaN，SiC器件等）具有宽禁带、高迁移率及高导热等优点，传统封装材料其高温、高频、大功率等要求。目前，业界缺乏对第三代科知识（如力学，物理学，材料学等），采用ANSYS仿真技术，研究材料与界面的优化设计，探索第三代半导体新型器件封装结构中AuSn共晶界面在热-机械复合负载下的失效研究意主要创新点：本课题采用ANSYS仿真技术，进行材料与界面设计。结合有限研究内容与研究方建立AuSn共晶界面结构模型，考虑、焊料和基板材料等影响因素，预测固3D模型，再将这个3D模型导入到ANSYS软件中进行分析。第二章GaN合金材料简了明显的增加例如ALAs、Gap、InP、GaAs、InAs及其合金。第三代半导体材料是以ZnSe、石、SiC、和GaN等为主的宽禁带半导体材料，在过去的这有利于紫外光、绿、蓝光的光探测器件和发光器件的制作。GaN材料在过去不(GaN的晶格与蓝宝石的衬底失配高达14%)、p型掺杂、n型本底浓度太高以及过大的位错密度(约为ZnSe密度的107倍)等。而从90年始,由于器件的工艺水平不断提高、材料逐渐发展,GaN基器件得以快速发展,GaN研究点也比较高，约为1700GaN室温条件下，电子的迁移率能够高达900cm2VsGaN材料特征及性能优良，使从而促使其应用前景广阔。随着外延衬底和p-GaN掺杂等难题得以，GaN器件迎来了新的发展阶段。目前,绿色发光二极管(LED)和高亮度的GaN蓝色已经在向商品化方向发展,对紫外线探测器与GaN场效应晶体管的开发更加深入，此外，室温条件下工作的蓝色激光二极管和全色动态信息平板显示等领域。而蓝、绿光LD在大气污染，激光打印，材料加工，深海通信，增大信息的光密度等方面都有了广泛的用途。光电子器件得到了突破性进展，与此同时，GaN高温半导体电子器件也开始发金锡合金焊金锡焊料合金处于共晶点位置，其为278℃，焊接温度为300-310℃，仅高出20-30℃。由于处于共晶位置，很小的过热度即可使焊料融化掉并侵热导系数，热导率高达57w/mk。由于金锡共晶合金钎料具有较低的融化温度，因而可用于LED、激光二极叠层冷轧复合法可制出金锡合金的焊料箔带，其中专利CN C中用的的。在推广金锡焊料时，会有着很多推广，很多研究这一块的学者和专家在金锡焊料焊接技术在电子封装这方面下了很大的功夫。的一项专利金锡焊料在焊接的过程中会遇到很多的问题，可以归纳为五点[2]焊料氧化。金锡焊料中Sn的含量高达20%，在焊接过程中Sn容易被SnO2，这不仅提高了焊料熔化的温度，而且降低了焊料的流动性，进而温度会导致漏气,过高的温度会出现电路溢盖的情况。封装的温度通常要比高大约30℃，所以往往将Au-Sn焊料的焊接温度设定在310℃附近。（1）和焊接金锡焊料通常要求真空环境，且通常要求真空度在界面或焊料的地方不断长大。截止到现在，能够抑制IMC形成的合金元素还没有被研制成功。IMC层的形成能够帮助实现基板和焊料之间的冶金连接与浸润，IMC层越薄、越连续均匀，则越对界面的结合有利。IMC层过厚会降低焊点的可靠性，这是因为IMC层较脆，并且随着厚度的增加会导致结构上的缺陷[3]。可以发现，浸润性、焊点强度以及可靠性会受到基板界面处与焊料反应的Chung等[8]对铜焊盘表面和常规铸态金锡合金焊料的反应进行了探讨，研究多柱形的-(Au,Cu)5Sn相，除此之外，金铜层同时会在铜与这个相之间形成。 Au-Sn/Cu层的微观组织程中迅速溶于焊料里，Yoon等[14]认为因金层的厚度太小，仅为0.15um，所以可将反应，从而使镍锡化合物形成，一定程度上影响了焊点的性能[16]。Song等研究究发现，许多不明显的(Au,Ni)Sn相、不规则的(Ni,Au)3Sn2相以及岛状的-(Au,Cu)5Sn200℃，并对其老化退火365天之后，众多(Au,Cu)5Sn相将会长大相互连接在一起(Au,Ni)Sn与(Ni,Au)3Sn2生长成明显的层状Au,Ni)Sn层厚度增加Ni,Au;)3Sn2相逐渐平2-2(Au,Ni)SnIMC层和界面(Ni,Au)3Sn2的生长行为，结果显示，IMCt0.5的增加而线性增长，但是它 AuSn-Au/Ni/Cu样点界面微观组织Yoon等[18]Au/Ni(P)层与共晶金锡焊料的界面反应，其中金层0.15um,Ni（P）5um。结果显示，钎焊90s的焊点界面形成不明显的Ni3PNi3P与(Au,Ni)SnNi3P层的厚度有了大幅度的增加。退火一千小时之后，Ni3P层转变为Ni5P4层。如图2-3中的（c）所示，因为局部Au/Ni(P)层被彻底消耗，所以基板铜和部分焊料反应形成Au3CAuCu层。 AuSn-Au/Ni(P)界面微观组织焊点可靠CTE不匹配，在焊点承受冲击[22]。研究表明，焊点的失效模式有很多种，而大多数的情况是在温度负载和试焊点蠕变性能的办法：1是最常用的单轴拉伸蠕变试验[23]。3是在保持一定的形状改变前提下进行应力松弛的测试，接着再对焊点的蠕变性能进试。4是温度循环的作用时，这时的实效就属于低疲时效[26]。目前，大多数的失效都属于所连接的连接件和焊点有着不同的CTE，实验显示，根据实验得出的结论我第三 微波功率器件3D模型构实体模3-13-2实体参注：引出端极性 （单位3-3模型构3-43D本章小3D3D模型图导入软件第四 AuSn共晶界面失效仿真模拟研相关方法及理面的疲劳（本文不做具体的计算）。有限元模拟方法的简本构方程的构AuSn层操作有限元仿真实验时的时候，首先要做的就是建tt（t指时因。其中，统一型Anand粘塑性本构理论最常用[31]。AuSnAnandAuSn焊料AQζmnaSec-温度的影证明拥有与常规钎焊层一样的粘塑性行为。电源模块的操作中的那些CTE不匹配混合着温度变化对粘贴材料产生了应力应变，从而导致降低其可靠性。电得Anand模型的金锡合金层参数及温度和杨氏模量之间的关系是很必要的。AuSn焊料的热力性能。在最大载荷为400mN，在加/卸载速率为10MnS，测试的温度为、、及200℃的条件下进行压痕测及加热过程中的软化可能是AuSn力学性能下降的主要因素。 本章小第五 结果分微波功率器件的热分鼠标左键按住Toolbox栏中ysisSystem栏里面的Static-stateThermal选项拖到操作界面直到显示红色松开鼠标，完成建立分析项目A。2.设1）AEngineeringData这一项后进入一个新的界2)输入材料参数后双击左ToolboxIsotropicThermalConductivity选项，输入每个材料的导热系数，相关参数结果如图5-1所示。5-1用鼠标Geometry这一项，在刚刚显示的里选ImportGeometry，同理接着选择Browse。这个时候会弹出一个新的框，该框是用来选择先前定义的.txtGeometry选项后面的问号变为对勾时，表示AA2GeometryDM界面，查看几何模型如图4-3所示，此时如果设计树中显示，表示需要生成模型，此时进行步骤5-2DMAA3Model项，进Mechanical界5-3MaterialAssignment，这个时候可以定义Geometry这个选项前的问号标志变成闪电标志Medium，其余默认MethodTetrahedronsMethodPatchConformingMethod；单击Mesh，然后在中选择MeshControl→Refinement，在树结构Refinement对象，设置该对象的细节窗口中Refinement3。选择的各个面，并在细节窗口中的Geometry下单击Apply；5-4EnvironmentInternalHeatGeneration，此时树状图中会出现InternalHeatGeneration这一项。点击InternalHeatGeneration，选择大整体，再到Geometry中单击Magnitude1.06e9W/m3InternalHeatGeneration，选择小整体，再到Geometry中单击确认，在其细节图中设置Magnitude为1.04e9W/m3。选择Environment中的Convection命令，此时在树结构图中会出现Convection选项。FilmCoefficient5W/mm2·AmbientTemperature为25℃。同理，选择为微波功率器件的外表面，再到Geometry中单击确认，在其细节图中设置FilmCoefficient为10W/mm2·℃，设置AmbientTemperature为25℃。6）选择Mechanical界面左侧Outline树结构图中的Static-stateThermal（A5）5-55-5项，然后会出现对应的Solution一栏。SolutionThernal→Temperation，此时在树结构图中会出现Temperation选项。求解结束，然后该框自动关闭，得到的结果图如图5-6所示。 大芯片焓大芯片焓小芯片焓55-6在软件左侧ysisSystem这一栏里选择TransientThermal这一项然后点住ASolution项变为红色的时候放开鼠标，这个时候就创建了一个新的项目B，同时项目A、B的数据能够共享，详见图5-7。5-7 5-8MechanicalOutlineTransient5-9Mechanical这个界面左边的树状图里TransientThermal（B5接着会出现Environment这一栏。EnvironmentInternalHeatGeneration，此时树结构图中会出现InternalHeatGeneration选项。选择InternalHeatGeneration，选择大整体，再到Geometry中单击Magnitude1.06e9W/m3InternalHeatGeneration，选择小整体，再到Geometry中单击确认，在其细节图中设置Magnitude为1.04e9W/m3。选择Environment中的Convection命令，此时在树结构图中会出现Convection选项。选择Convection，选择三个的上表面，再到Geometry中单击确认，FilmCoefficient5W/mm2·AmbientTemperature为25℃。同理，选择为微波功率器件的外表面，再到Geometry中单击确认，在其细节图中设置FilmCoefficient为10W/mm2·℃，设置AmbientTemperature为25℃。选择Environment中的Temperature命令，此时在树结构图中会出0~3600s循环时间到TabularData中。项，然后会出现对应的Solution一栏。SolutionThernal→Temperation，此时在树结构图中会出现Temperation选项。结束，然后该框自动关闭，得到的结果图如图5-10所示。5-10微波功率器件线性静力分在软件左侧ysisSystem这一栏里选择StaticStructural这一项然后点住鼠标将它拉到项目管一项到B这一项Solution项变为红色的时候CA、B、C的数据能够共享，详见图5-11。5-11CC2EngineeringData项，进入材料参数设置界面进行材ToolboxPhysicalProperties→IsotropicSecantCofficientofThermal输入四个材料的热膨胀系数，如表4-12所示。选择Toolbox栏中的LinearElastic→IsotropicElasticty输入copper、ceramic、silicon三个材料的杨氏模量和泊松比，如表5-12所示。5-12杨氏模量ToolboxPlasticity→AnandViscoplasticityAuSnAnand3-1AuSnAnand3-2输入三个温度循环，分别是（-20~100、-40~125、-60~1505-13、5-14、5-15所示。5-13(a20～100-05-13(b)40～125-05-13(c60～150-0这一项，接着会出现Environment这一栏。接着点击Environment这一栏中的Support这一选项，再点击FixedSupport，这时会在树状图中出现FixedSupport这个选项。FixedSupportDetailsof“FixedSupport”细节5-14中会出现ThermalCondition选项。5-15捷菜单栏中选择Importedload。项，然后会出现对应的Solution一栏。SolutionDeformation→Total、Strain→MisesMises→→MisesMisesApply结束，然后该框自动关闭，得到的结果图如图5-16所示。（a）总形变 （b）应变变 图5-16-20~100℃循环的结果图（a）总形变 （b）应变变 图5-16-40~125℃循环的结果图（a）总形变 （b）应变变 图5-16-60~150℃循环的结果图结果分可达到158.51℃，而最低温度的位置则出现在栅极和漏极的边缘处，最低可达到（2）的应力应变随着温度的变化而变化。当温度不发生变化时，金锡层的应力应变的变化并不是很明显，但是温度突然变大后，的应变会随着增加，而应力则会突然减少。但是当的温度在下降的时候却与升高的是恒定温度能够松弛应力，在高温或者低温温度恒定的时候，的第六章 在研究焊点在热循环条件下的可靠性基础上，简单介绍了AuSn的基本性能和制的Ananad参数以及杨氏模量与温度的关系，为后面加入温度循环做好了铺垫，然后将3D模型导入到ANSYS软件中进行器件的稳态热分析、瞬态热分 M.Mukai,T.Kawakami,Y.Hiurta,etc.FatigueliefestimationofsolderjointsinSMT-PGAPackages.Elec.Pack,1998,12(6):207-212.N.Paydar,Y.Tong,H.U.Akay.Afiniteelementstudyofafctorsaffectingfatiguelifeofsolderjoints.Elec.Pack,1994,11(12):265-273.V.Sarihan.Temperaturedependentviscoplasticsimulationofcontrolledcollapsesolderjointunderthermalcycling.ASMEJ.ElectronicPackaging,1993,5(l):,张冀.GaN——第三代半导体的曙光[J].半导体学报.1999,7(2):郑冬梅GaN基材料的特性及应用[J].三明学院学报20058(212-郎佳红,顾彪,徐茵GaN基半导体材料研究进展[J200314(345-,施朝淑,S.FungC.D.Beling.GaN中的缺陷与杂质[J].物理学进展.2001,25(11):25-34..半导体材料的华丽——氮化镓基材料简介[J].物理.2001,彭聪,徐立,李斌.基于结点基函数的时域有限元方法仿真微波无源器件[C].2014年军事微波技术暨太赫兹技术学术会议集（一）.2014,顾江海.嵌入式系统封装功率器件的可靠性建模与仿真[M].浙江工业大学2011,7(1):31-赵磊GaAsHBT/GaNHEMT器件的热生成机制及其热性能仿真与可靠性分析[M].工业大学.2013,11(6):40-81..金锡共晶合金热压缩变形行为和加工性能的研究[M].云南大学21(11):23-王帅.用于电子封装的纳米银浆低温无压烧结连接的研究[J].电子工艺技术YoonJW,ChunHS,JungSB.CorrelationbetweeninterfacialreactionsandshearstrengthsofSn-Ag-(CuandBi-In)/ENIGplatedCusolderjoints[J]YoonJW.MaterialsScienceandEngineeringA,2008,12(17):731-734.MoonWC,JungSB.Interfacialreactionof 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