功率模块的材料和热形变

功率模块的材料和热形变多芯片模块的大功率IGBT器件是由多层不同的材料构成，这一构造展现出了很好的机制稳定性，电气绝缘特性和很好地温度传导能力。图1a是A型（标准E2封装）模块简要的剖面，相关的物理参数见表1。从底部可以看到基准盘，直接附在陶瓷衬底的铜，硅芯片，金属铝（没有画出）以及接合导线。图1b是B型模块的简要剖面图。它和A型模块在结构上最大的区别在于IGBT芯片上方焊接了应变缓冲层（a‘层和b层）。abedefgh=七abedefgh=七图1，A（a）B（b）两种多芯片模型各层的简要图表1厚度（t）,CTE,典型长度（L）Materialf(l-ini)CTE(ppm严匚)L(mm)Al300MM]Si250312Solder100CompliantCu2S0NotrelevantorAIN10007or430-55Cu2S0NotrelevantSolder应CompliantCuorAlSiC400017orS这两种类型的模块都有附加的延展性良好的材料层，它们填充在温度膨胀系数相去很大的材料之间，这就是焊接层的例子。近期，新一代的功率器件已经被开发出来，他们并没有使用任何底盘，并且陶瓷（AIN）衬底直接加载在散热板上。模块中唯一用到焊接的就是晶片粘贴，所有其他的温度和电气接触都是由机械压力实现以至于整个结构并没有附着的导线。尽管在过去电器传导的压片式接触技术被证明非常粗糙，并具有长时间的可靠性，但当下，寿命的定量分析和关于失效机理的精确信息在该技术中还没得应用。因此，在接下来本文不会考虑新器件的架构。这也是更传统的压力封装的例子。在第一个假设前提下，温度膨胀，层的特征长度以及局部温度摆幅的系数存在不匹配。相关材料和多芯片层的前两个参数见于表1.在图2a中，本文列出了两个模块不同接触面的相关温度摆幅计算值（一维近似值），这两种模块具有相同几何结构（如表1），但它们的层是由不同材料组成的。特别是第一个模块的陶瓷衬底是由Al2O3，底盘是由铜组成，而后者的衬底是氮化铝，底盘是A1S&组成。从图2b中，本文可以看出，由于氮化铝的良好导热性，B型多层的最大温度摆幅比A型低50%。相反，在第一个多层模型中，温度下降最明显（大约80%）的部分是Al2O3陶瓷衬底。从表2中，本文可以看出CTE中最大的区别会影响铝（走线，金属板）和硅芯片。在第一个多层里，这样的不匹配因材料间的亲密接触加强。相反，在第二个堆栈中使用的由铝和钼盘（CTE2.5ppm/C）构成的缓冲层，极大地减少了铝导线承受的热应力；关于CTE不匹配的第二第三方面，本文可以单独讨论陶瓷衬底和底盘（特别是氧化铝和铜的合金）以及硅和陶瓷基底（特别是硅和氧化铝）。延展性良好的焊层将最后的两对材料分开。层的侧面尺寸越小，热应力也就越小。因此，相比于单个大的底盘（特别是那些易碎材料），小型的结构更受人们欢迎。不幸的是，几乎所有的组件都是由物理特性限制（比方说IGBT芯片的尺寸）。只有陶瓷衬底还有着一定的讨论空间；在高级封装中，它以方块形式出现，边长范围在30-55mm。当在铜基底内加入氮化铝时，小尺寸的陶瓷衬底经常被使用。这也是出于优化成本考虑（图3）.

表2总结了CTE不匹配，温度摆动以及图1a，b中所描述结构的尺寸等综合影响。根据一维估计，在散热板温度为40C，耗散功率为100W，清晰地指明两种多芯片模块的标准接触情况下，不同的延展性得到了计算。〔贸」e」=alQdld岸E10P〔贸」e」=alQdld岸E10P100^80-160^40三20^0上a七b七c-dd-ee-fInterfaces80图2（a）温度摆幅在两种不同类型器件各层堆栈结构之间的分布：（黑色：A型白色：B

型）a-b,b-c,c-d…分别对应硅，硅-焊锡，焊锡-铜，铜-陶瓷，陶瓷-铜，铜-焊锡，焊锡-

基底盘；（b）功耗为100W，散热板温度为40°C时各接触面的温度（黑色：A型；白色：B

型）表2：在图2条件下各材料的延展性Typ^ASi-bondwire2on]000inn4on12.000[iniOi-coppe