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考虑热耦合效应的键合线脱落与芯片焊接焊料老化的失效机理研究
Failure Mechanism Investigations of Bond Wires Lifting-Off and Die-Attach Solder Aging Considering the Thermal Coupling Effects
| 作者 | Xinglai Ge · Ken Chen · Huimin Wang · Zhiliang Xu · Zhongjiang Fu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年8月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | 功率模块 多物理场耦合 可靠性分析 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 失效机理研究 热耦合效应 功率模块 键合线抬起 芯片焊接层老化 |
语言:
中文摘要
失效机理研究(FMI)对于功率模块的可靠性评估至关重要,因此在功率变换器领域备受关注。然而,由热耦合效应(TCEs)导致的复杂失效模式使得明确失效机理变得困难。为解决这一问题,本文针对键合线抬起和芯片焊接层老化开展了失效机理研究,其中仔细考虑了热耦合效应,从而提供了准确的机理分析。在本次失效机理研究中,借助功率循环试验,分析了热耦合效应对失效模式和结温分布的影响。然后,基于有限元模型,对存在热耦合效应时的失效模式进行了全面的机理阐释。结果表明,热耦合效应能够改变芯片表面和芯片焊接层的温度分布均匀性,进而影响功率模块的失效模式。更具体地说,热耦合效应对多个键合节点应力分布以及芯片焊接层应变能密度分布的影响,共同导致了失效模式的改变。
English Abstract
Failure mechanisms investigation (FMI) is crucial for reliability evaluation of power modules, and thus, attracts high popularity in power converters. However, complex failure modes caused by thermal coupling effects (TCEs) make it difficult to clarify the failure mechanism. To address this, an FMI for bond wires lifting-off and die-attach solder aging is conducted in this article, in which the TCEs are carefully considered, and consequently an accurate mechanism analysis is provided. In the present FMI, with the assistance of the power cycling tests, the TCEs on the failure modes and junction temperature distribution are provided. Then, based on the finite elements model, a thorough mechanism explanation of failure modes with TCEs is developed. The results reveal that the TCEs enable to change the chip surface and die-attach solder layer temperature distribution uniformity, and then affect the failure modes of power modules. More specifically, the effects of TCEs on the stress distribution of multiple bond nodes and the strain energy density distribution of the die-attach solder, jointly result in the change of failure mode.
S
SunView 深度解读
作为全球领先的光伏逆变器和储能系统供应商,阳光电源产品的核心功率模块长期工作在高温、高频、大电流的苛刻环境中,其可靠性直接影响系统的全生命周期表现。本论文针对功率模块中键合线脱落和芯片焊层老化的失效机理研究,特别是对热耦合效应的深入分析,为我们提升产品可靠性设计能力提供了重要理论支撑。
从业务价值角度,该研究揭示了热耦合效应如何改变芯片表面和焊层的温度分布均匀性,进而影响多个键合节点的应力分布和焊层应变能密度分布。这一认知对阳光电源的大功率组串式逆变器和集中式逆变器产品至关重要,因为这些产品中IGBT模块常面临复杂的功率循环工况。通过引入热耦合效应的分析方法,我们可以更精准地预测模块失效模式,优化键合线布局和焊层材料选择,从而延长产品使用寿命,降低电站运维成本。
在储能系统PCS(储能变流器)领域,频繁的充放电切换使功率模块承受更剧烈的温度波动。论文提出的有限元建模方法结合功率循环测试的验证路径,可直接应用于我们的产品开发流程,建立更准确的寿命预测模型,支撑25年以上的系统质保承诺。
技术挑战在于如何将理论研究转化为工程化的设计准则和快速评估工具。建议与研究机构合作,建立涵盖不同封装形式、工况条件的失效数据库,并开发自动化仿真平台,将热耦合效应分析嵌入产品设计早期阶段,实现从被动应对到主动预防的可靠性管理升级。