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汽车功率模块的可靠性分析以及寿命预测

作　者: 刘艳
导　师: 刘勇
学　校: 浙江工业大学
专　业: 固体力学
关键词: 能量法有效应变法汽车功率模块寿命预测低温烧结纳米银子模型
分类号: U461.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

汽车功率模块的广泛应用,使其可靠性的要求越来越高。在使用过程中,由于模块发热,芯片连接层之间的材料热膨胀系数的不匹配,导致模块内部产生交变的热应力和热应变,从而导致连接层萌生裂纹,在循环的热应力和热应变下,裂纹扩展导致连接层失效。本文运用有限元分析软件ANSYS,对两种不同结构的汽车功率模块进行了可靠性分析,主要工作与结果如下：1.对于焊点结构的汽车功率模块,分别应用基于Anand粘塑性本构模型的能量法以及基于Wong蠕变本构模型的有效应变法对汽车功率模块在热循环条件下的失效问题进行模拟分析,并利用不同的寿命预测模型对焊点的疲劳特征寿命进行预测。研究表明,对于结构复杂的功率模块,以蠕变为基础的寿命预测模型得到的疲劳特征寿命更接近实验结果。2.将低温烧结纳米银焊膏作为汽车功率模块的芯片互连材料,运用基于Anand粘塑性本构模型的能量法和基于Wong蠕变本构模型的有效应变法对低温烧结纳米银焊膏互连结构进行了相关的模拟分析以及疲劳特征寿命的预测。研究表明：与传统锡铅焊料SAC305相比,相同加载条件下,抗拉强度以及抵抗热疲劳的能力有较大的提高。3.应用两种不同的寿命预测方法对介于引线框架与MOSFET之间的焊点厚度、MOSFET与DBC (Direct Bond Copper)之间的焊点厚度,以及MOSFET的厚度进行了参数化研究,比较分析了焊点厚度以及MOSFET的厚度对各部分焊点的疲劳特征寿命的影响。4.基于带引线键合结构的汽车功率模块,实现了子模型技术在功率模块中的应用。对于关键铝键合引线,应用Coffin-Manson方程对其疲劳寿命进行了预测；同时,对不同工况下键合引线的直径和接头长度等参数对疲劳特征寿命的影响进行了一系列的参数化研究分析。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-20
  1.1 微电子封装发展历程  10-11
  1.2 汽车动力转向系统  11-13
    1.2.1 电动助力动力转向系统  11-12
    1.2.2 电动助力转向系统工作原理  12-13
  1.3 焊点材料力学行为  13-14
  1.4 微电子封装的寿命预测模型  14-16
    1.4.1 以塑性变形为基础的寿命预测模型  14-15
    1.4.2 以蠕变变形为基础的寿命预测模型  15
    1.4.3 以能量为基础的寿命预测模型  15-16
    1.4.4 以断裂参量为基础的寿命预测模型  16
  1.5 微电子封装可靠性问题以及研究现状  16-18
  1.6 本文研究目的和内容  18-20
第2章寿命预测理论基础  20-30
  2.1 焊层材料的本构模型理论  20-23
    2.1.1 线性材料本构模型  20
    2.1.2 非线性材料本构模型  20-23
  2.2 焊点的两种寿命预测方法  23-26
    2.2.1 以能量为基础的寿命预测方法  23-24
    2.2.2 以蠕变变形为基础的寿命预测方法  24-26
  2.3 键合引线的寿命预测方法  26-28
  2.4 有限元数值分析过程  28-30
第3章焊点寿命分析—能量法与有效应变法的对比  30-48
  3.1 有限元分析模型  30-32
  3.2 寿命预测的实现过程  32-35
    3.2.1 基于Anand粘塑性本构模型的能量法  32-34
    3.2.2 基于Wong蠕变本构模型的有效应变法  34-35
  3.3 结果对比  35-46
    3.3.1 整体形变以及焊点材料迟滞曲线  37-38
    3.3.2 介于MOSFET与引线框架之间焊点的力学参量分析  38-40
    3.3.3 介于MOSFET与DBC之间焊点的力学参量分析  40-41
    3.3.4 介于引线框架与DBC之间焊点的力学参量分析  41-43
    3.3.5 介于热敏电阻与DBC之间焊点的力学参量分析  43-44
    3.3.6 特征疲劳寿命的对比  44-46
  3.4 本章小结  46-48
第4章焊点的参数化研究  48-64
  4.1 材料对疲劳寿命的影响  48-57
    4.1.1 低温烧结纳米银焊膏过程  48-49
    4.1.2 基于Anand粘塑性本构模型的寿命分析  49-54
    4.1.3 基于Wong蠕变本构模型的寿命分析  54-57
  4.2 焊点与MOSFET的厚度对疲劳寿命的影响  57-63
    4.2.1 介于引线框架与MOSFET之间焊点厚度分析  57-59
    4.2.2 介于MOSFET与DBC之间焊点厚度分析  59-61
    4.2.3 MOSFET的厚度分析  61-63
  4.3 本章小结  63-64
第5章带引线键合结构功率模块的寿命分析  64-76
  5.1 键合线失效机理以及改进方法  64-65
  5.2 键合引线的数值分析  65-69
    5.2.1 有限元分析模型  65-66
    5.2.2 子模型技术在热循环加载中的实现方法  66
    5.2.3 结果分析  66-69
  5.3 铝键合线的参数化分析  69-75
    5.3.1 铝键合线的直径对特征疲劳寿命的影响  70-72
    5.3.2 铝键合线的接头长度对特征疲劳寿命的影响  72-73
    5.3.3 材料参数对铝键合线特征疲劳寿命的影响  73-74
    5.3.4 网格密度对铝键合线特征疲劳寿命的影响  74-75
  5.4 总结  75-76
第6章结论与展望  76-78
  6.1 结论  76-77
  6.2 展望  77-78
参考文献  78-82
致谢  82-84
攻读学位期间参加的科研项目和成果  84

汽车功率模块的可靠性分析以及寿命预测

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