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原文传递车用功率模块键合线可靠性研究

论文题名：	车用功率模块键合线可靠性研究
关键词：	电动汽车;电驱动系统;功率模块;键合线;可靠性
摘要：	功率半导体模块作为电动汽车电驱动系统的核心，其性能对系统效率、集成度和可靠性等方面有着重要的影响。第三代半导体材料SiC性能优异，其器件具有高阻断电压、高开关频率、高工作温度、高热导率及低损耗等特点。然而，相同功率等级的SiC芯片尺寸仅为Si芯片的一半以下，其工作温度及功率密度更高，加之芯片上方引线键合可用区域面积更小，键合线数量更少，因此，车用SiC器件引线键合互连可靠性挑战异常严峻。本文围绕SiC功率模块引线键合的可靠性问题，采用理论建模、可靠性试验及数值仿真等方法，系统研究了键合参数、键合线材料及几何结构等关键因素对引线键合可靠性的影响。主要研究内容与结论为: 　　分析了超声引线键合系统及机理。基于引线键合强度剪切强度测试方法，研究了键合参数对键合质量的影响，指出键合界面中摩擦与超声振动是引起键合线与被键合材料之间发生塑性变形从而完成引线键合的主驱动力，得到了超声键合理论模型，并揭示了键合参数的作用机理及键合强度的提升机制，为后文的引线键合参数实验提供设计依据。　　针对Cu、Al线开展引线键合强度的实验研究。厘清了键合参数对键合点形貌以及键合强度的影响规律，探明了键合参数的有效窗口选择范围。同时，研究发现温度冲击对SiC芯片的引线键合强度退化影响显著，具有键合强度退化程度高及测试耗时短的优点，可为键合参数优化及键合质量快速试验评估提供参考。　　构建了 SiC功率模块标准仿真模型，研究了 Cu线替代Al线对模块可靠性、键合线疲劳寿命以及芯片电热性能的影响。研究表明:在温度冲击下，Cu线的疲劳寿命约为Al线2倍，然而Cu线会增加芯片焊料层的塑性应变以及DBC基板的应力。在功率循环下，Cu线的可靠性与疲劳寿命均显著高于Al线，但细线经Cu线会导致芯片键合点与键合线电流密度与温度的增加。　　制作了 Cu、Al线键合的SiCMOSFET功率模块，并通过功率循环试验研究了键合线对模块老化规律、失效机理以及疲劳寿命的影响。实验发现Cu线键合的芯片结温波动ΔTj以及模块壳温波动ΔTc均比Al线方案更高;在相同试验条件下，Cu线模块的失效循环周期数约为Al线模块的3倍;Cu线模块的键合线失效存在足够的预警时间，键合线老化过程分段明显，该特点也可为模块健康状态监测及保护提供参考。
作者：	周卫金
专业：	能源动力
导师：	兰欣
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2023