← 返回
高功率器件封装中含重铸层和粗糙界面的陶瓷通孔互连结构热力学分析
Thermodynamic analysis of TCV interconnect structure with recast layers and rough interfaces for high-power device packaging
| 作者 | Xin Zou · Zhirui Xu · Hao Chen · Yang Peng · Qing Wang · Mingxiang Chen |
| 期刊 | IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology |
| 出版日期 | 2025年9月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | 可靠性分析 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 陶瓷通孔互连结构 激光钻孔缺陷 热应力 界面粗糙度 三维封装 |
语言:
中文摘要
通孔陶瓷过孔(TCV)互连结构的热机械行为对三维封装可靠性有着显著影响。然而,现有研究在很大程度上忽视了激光钻孔所产生的缺陷——特别是重铸层和粗糙界面——在调节高功率器件热应力方面的关键作用。在本研究中,提出了一种考虑重铸层和粗糙界面的TCV互连结构的新型热力学分析方法。利用魏尔斯特拉斯 - 曼德布罗特(W - M)分形函数建立了具有可调界面粗糙度的陶瓷 - 重铸层 - 铜模型。实验结果与模拟结果吻合良好,最大误差仅为11.1%。热力学模拟结果显示,热应力与界面粗糙度之间存在非单调关系:在所有温度(200 ~ 500°C)下,热应力先减小,在粗糙度为0.2μm时达到最小值,随后随着粗糙度的增加而增大。热变形随粗糙度的增加略有减小。进一步分析表明,无论是否存在重铸层,以及在不同的TCV纵横比(AR = 3.13 ~ 8.33)下,上述规律均一致,从而证实了该模型的通用性。本研究建立了工艺诱导缺陷与热机械性能之间的定量关系,为优化高密度三维封装应用中的激光钻孔参数和TCV结构设计提供了参考。
English Abstract
The thermomechanical behavior of through ceramic via (TCV) interconnect structure significantly influences the three-dimensional package reliability. However, existing studies have largely overlooked the pivotal role of defects induced by laser drilling—specifically recast layers and rough interfaces—on the regulation of thermal stresses in high-power devices. In this work, a novel thermodynamic analysis of TCV interconnect structure incorporating the recast layers and rough interfaces was proposed. A ceramic-recast layer-copper model with tunable interface roughness was established employing the Weierstrass-Mandelbrot (W-M) fractal function. The experimental results agree well with the simulation results, with a maximum error of only 11.1%. The thermodynamic simulation results reveal a nonmonotonic relationship between thermal stress and interfacial roughness: thermal stress first decreases, reaching a minimum at 0.2 μm roughness across all temperatures (200 ~ 500°C), before increasing with additional roughness. Thermal deformation decreases slightly with increasing roughness. Further analyses demonstrate that the aforementioned laws are consistent both with and without a recast layer and across varying TCV aspect ratios (AR = 3.13 ~ 8.33), thereby substantiating the model’s universality. This study establishes quantitative correlations between process-induced defects and thermomechanical performance, offering insights for optimizing laser drilling parameters and TCV structural designs in high-density 3D packaging applications.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,该论文针对陶瓷通孔(TCV)互连结构的热力学研究具有显著的应用价值。在光伏逆变器和储能变流器等大功率设备中,功率半导体模块是核心部件,其封装可靠性直接影响系统的长期稳定性和功率密度提升。
该研究的核心贡献在于首次系统性地量化了激光钻孔工艺缺陷(重铸层和粗糙界面)对热应力的影响规律。研究发现在0.2微米界面粗糙度时热应力达到最优值,这为我们优化TCV封装工艺提供了明确的参数指导。对于阳光电源正在推进的高功率密度逆变器(如单机功率350kW以上的集中式逆变器)和大容量储能PCS产品,采用三维封装技术可显著减小体积、提升散热效率,而TCV互连正是实现这一目标的关键技术路径。
从技术成熟度评估,该研究建立的W-M分形模型与实验数据吻合度高(误差仅11.1%),且验证了不同宽高比(AR=3.13~8.33)下规律的普适性,表明模型具备工程化应用基础。这对我们开发下一代碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)功率模块的封装方案具有直接参考价值,特别是在200-500°C高温工况下的热管理优化。
技术挑战主要在于如何将实验室成果转化为批量生产工艺标准,包括激光钻孔参数的精确控制和界面粗糙度的在线检测。建议与该研究团队建立合作,将理论模型集成到我们的封装设计仿真平台,加速新一代高可靠性功率模块的开发周期,巩固在大功率新能源装备领域的技术领先地位。