20级第二次封装实验说明

功率半导体器件封装设计实验部分（二）IGBT模块绘制及IGBT模块键合线失效分析实验时间：2024年x月x日9:00-12:0013:00-18:00实验目的：了解IGBT内部结构；使用SolidWorksw软件，对IGBT模块进行热仿真。针对键合线失效对IGBT模块可靠性产生影响的问题，建立了不同键合线脱落根数的IGBT模块模型并进行仿真，分析了其温度和应力分布的变化规律，总结了键合线失效的演变规律。实验要求：每人完成一份实验报告；实验包括内容包括：实验目的、实验内容和结论三部分；从瞬态热仿真、热应力等方面呈现实验内容；总结部分主要包括通过本实验是明确了哪些基本概念、遇到了什么问题、这些问题通过什么方式得以解决。实验内容：1. IGBT模块几何模型的建立：此次选择的研究对象为Infineon生产的IGBT模块，型号为FF50R12RT4，其耐压等级为1200V，最大电流为50A，该模块的外部封装与内部结构分别如图1(a)和图1(b)所示。图1FF50R12RT4模块及等效拓扑结构上述IGBT模块为半桥结构如图1(c)所示，上下桥臂各包含一个IGBT芯片和一个反并联二极管芯片，芯片被焊接在DBC上铜层上，通过6根并联的键合线实现与电气端子间的连接。其中键合线由高纯度的铝金属构成，直径一般为300um，采用超声焊接的方法将其两端分别与芯片表面和DBC上铜层进行连接。在不影响仿真效果的前提下,为了降低服务器计算负担,加快求解速度，采用Solidworks软件建立了IGBT模块的二分之一几何模型，如图2所示。通过测量尺寸和查阅相关资料得到用于建立IGBT模块几何模型的尺寸参数，如表1所示。图2IGBT模块有限元模型示意图表1IGBT模块几何模型的尺寸参数2. IGBT模块键合线失效分析：表2IGBT模块材料参数IGBT模块有限元仿真的总体步骤如下:（1）测量IGBT模块尺寸，建立几何模型;（2）导入几何模型，定义各部分材料属性，设置单元大小，进行网格划分；（3）设定电场、热场和应力场的边界条件，施加电流载荷;（4）对电场、热场和应力场进行求解，得到温度分布和应力分布结果;（5）对仿真结果进行处理、保存和分析;（6）修改几何模型，即删除1根键合线，重复步骤（2）到（5)，完成不同键合脱落根数下的仿真；（7）对不同键合线脱落根数的温度和应力分布结果进行总结，探究IGBT模块键合线的失效机理与演变规律，分析键合线老化程度对模块可靠性的影响。2.1稳态热仿真设置80W的芯片功耗，观察芯片温度分布与键合线温度分布。2.2键合线热应力分析为了便于对键合线所受应力进行分析，做出如下定义如图3-10所示。IGBT芯片上一共有6根键合线，每根键合线与芯片接触两个键脚，分别命名为前键脚和后键脚，键脚与芯片的接触面记为键脚底面。6根键合线一共12个键脚，键脚1-6对应为键合线的后键脚，键脚8-12对应为键合线的前键脚。前后键脚之间的键合线部位记为短拱，其他部位记为长拱。图3键合线键脚定义示意图物体所受应力越大，发生形变的可能性就越大，根据仿真结果判断在IGBT模块中，哪个位置的键合线最先产生裂纹发生断裂或脱落？2.3键合线脱落对模块可靠性影响分析键合线脱落1、2、3根的情况进行仿真，观察芯片温度分布与键合线温度分布变化情况，并分析变化原因。图4不同键合线脱落根数的IGBT模块几何模型图2.4键合线失效演变规律总结哪个位置键合线受到的应力更大，更容易产生裂纹发生断裂或脱落。而当键合线发生脱落后，键合线的温度分布发生变化，导致剩余键合线所