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可靠性与测试 可靠性分析 ★ 4.0

大尺寸倒装芯片封装中铟基热界面材料的热-机械可靠性及疲劳寿命增强研究

Investigation on Thermal-Mechanical Reliability and Enhanced Fatigue Life of Indium Thermal Interface Materials for Large-Size Flip Chip Packaging

作者 Yiou Qiu · Zhen Liu · Linzheng Fu · Mingming Yi · Ping Wu · Linjie Liao
期刊 IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology
出版日期 2025年5月
技术分类 可靠性与测试
技术标签 可靠性分析
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 大尺寸倒装芯片封装 温度循环 疲劳寿命 结构参数
语言:

中文摘要

随着大型芯片热管理需求的增长,铟因其固有的高导热性和良好的延展性,被认为是一种理想的热界面材料(TIM)。对于大型倒装芯片封装而言,如何提高其可靠性,尤其是在温度循环条件下的可靠性,仍是一项挑战。本研究以大型倒装芯片封装为研究对象,采用有限元模拟与实验相结合的方法,系统分析了温度循环条件下铟的蠕变行为和形态演变。在此基础上,运用基于应变的科芬 - 曼森模型预测了铟的疲劳寿命。为提高温度循环条件下铟层的可靠性,采用实验设计(DOEs)模拟方案分析了不同结构参数对疲劳寿命的影响。结果表明,靠近芯片边缘位置的累积塑性应变最大,这与实际测量中观察到的裂纹位置一致。通过科芬 - 曼森模型预测的铟层疲劳寿命与实测结果基本相符。信噪比(SNR)分析表明,铟层厚度对热疲劳寿命的影响最大,而胶粘剂厚度对热疲劳寿命的影响最小。与原始模型相比,优化后的封装结构疲劳寿命提高了 135%。

English Abstract

As the demand for thermal management of large-size chips grows, indium is considered an ideal thermal interface material (TIM) due to its inherent high thermal conductivity and good ductility. For large-size flip chip packaging, how to enhance reliability, especially under temperature cycling, remains a challenge. With large-size flip chip packaging as its research object, this study employed a method that combines finite element simulation and experiments to systematically analyze the creep behavior and morphological evolution of indium under temperature cycling. Based on this analysis, the fatigue life of indium was predicted using the strain-based Coffin–Manson model. To enhance the reliability of the indium layer under temperature cycling, a design of experiments (DOEs) simulation scheme was used to analyze the influence of varying structural parameters on fatigue life. The results demonstrate that the accumulated plastic strain at the position close to the edge of the chip is the largest, aligning with the position of the crack observed in actual measurements. The fatigue life of the indium layer, as predicted by the Coffin-Manson model, is found to be basically consistent with the measured results. A signal-to-noise ratio (SNR) analysis indicates that the indium thickness has the greatest impact on the thermal fatigue life, while the adhesive thickness has the least impact on the thermal fatigue life. Compared with the original model, the fatigue life of the optimized packaging structure is increased by 135%.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于铟基热界面材料在大尺寸倒装芯片封装中的热机械可靠性研究具有重要的技术参考价值。在光伏逆变器和储能变流器等核心产品中,大功率IGBT、SiC等功率半导体器件的热管理一直是制约系统可靠性和功率密度提升的关键瓶颈。

该研究通过有限元仿真与实验相结合的方法,系统分析了铟材料在温度循环下的蠕变行为和疲劳寿命预测,这与我们产品在实际运行中面临的宽温度范围工况高度契合。特别是研究发现铟层厚度对热疲劳寿命影响最大,通过结构优化可使疲劳寿命提升135%,这为我们优化功率模块封装设计提供了明确的工程指导。在户外光伏逆变器应用场景中,设备需承受-40℃至+70℃的环境温度循环,功率器件结温波动更大,热界面材料的长期可靠性直接影响25年以上的产品寿命保证。

从技术成熟度评估,铟作为热界面材料在航空航天等高可靠性领域已有应用基础,但在新能源装备大规模商用中仍需解决成本控制和供应链稳定性问题。铟属于稀有金属,价格波动较大,需要评估其在百GW级出货量下的经济可行性。此外,研究中采用的Coffin-Manson疲劳寿命预测模型可直接应用于我们的产品设计验证流程,缩短研发周期。

建议我们的技术团队重点关注该研究的结构参数优化方法论,结合自主功率模块平台开展适配性研究,在新一代高功率密度逆变器和液冷储能系统中进行试点应用,以突破当前散热瓶颈,提升产品竞争力。