[發明專利]一種高可靠性的嵌入式SiC功率器件封裝設計方法

有效

• 申請號: 202110700564.6
• 申請日: 2021-06-23
• 公開（公告）號: CN113343535B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發明（設計）人: 樊嘉杰;錢弈晨
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/27;G06N3/12;G06F111/04;G06F111/06;G06F119/08
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 陸惠中;趙旭

本發明公開了一種高可靠性的嵌入式SiC功率器件封裝設計方法，屬于封裝領域，包括：S1構建SiC功率器件的三維模型，確定SiC功率器件的結構和參數；S2基于經驗公式獲得關于盲孔結構的熱阻模型和力學模型；S3通過多目標優化遺傳算法對熱阻模型和力學模型進行優化，獲得盲孔結構的最優結果；S4根據S1中三維模型，在基板上確定盲孔分布的可行域；S5對于可行域內的盲孔位置分布進行有限元仿真實驗；S6構建盲孔層中關于盲孔位置分布的最大熱應力模型和最大散熱溫度模型，并獲得盲孔位置分布的最優結果；S7根據S3和S6獲得SiC功率器件中盲孔結構與位置分布的設計。本發明方法合理有效，能夠設計出在高溫條件下具有高可靠性的嵌入式SiC功率器件。

技術領域

本發明涉及SiC功率器件封裝技術領域，特別涉及一種高可靠性的嵌入式SiC功率器件封裝設計方法。

背景技術

與Si芯片相比，SiC芯片可以用更小的體積實現更高耐壓、更低損耗，從而給牽引變流系統和電力傳輸系統的研發設計帶來更多便利。此外，SiC芯片具有更低的輸出電容和柵電荷。這種高開關速度、低開關損耗、高開關頻率的特點，可以提高電源模塊的功率密度和效率。

另外，在較高的溫度下，Si IGBT的開關損耗會顯著增加，而SiC功率器件的開關損耗隨溫度變化不大。但是，目前SiC功率器件在高溫環境下的應用依然受到極大的限制。這其中最重要的限制因素之一是其在高溫條件下的可靠性不確定性。因為功率半導體的壽命與其熱分布密切相關，此外，隨著溫度量級的升高，長時間的熱循環容易加速焊絲剝離、焊料裂紋等磨損過程。

因此，需要開發新的無引線等封裝技術來推動電源模塊的發展，而對于無引線封裝的SiC功率器件需要有方法對其結構進行優化。

發明內容

針對現有技術存在的無引線封裝的SiC功率器件的結構設計，尤其是其中盲孔的結構和位置分布設計不合理的問題，本發明的目的在于提供一種高可靠性的嵌入式SiC功率器件封裝設計方法。

為實現上述目的，本發明的技術方案為：

一方面，本發明提供一種高可靠性的嵌入式SiC功率器件封裝設計方法，所述方法包括以下步驟：

S1、構建SiC功率器件的三維模型，確定SiC功率器件的結構和參數；其中，所述SiC功率器件包括依次層疊布置的基板、焊層、SiC MOSFET芯片和重布線層，所述基板、所述焊層和所述SiC MOSFET芯片封裝在塑封殼層內，且所述塑封殼層朝向所述重布線層的表面設置有用于連通所述SiC MOSFET芯片與所述重布線層的盲孔，所述盲孔內填充有導電介質；所述參數包括所述盲孔的孔徑、所述盲孔的孔深以及所述盲孔之間的相對位置；

S2、基于經驗公式獲得關于盲孔結構的熱阻模型和力學模型；

其中，關于盲孔結構的熱阻模型為：其中，R₄為塑封殼層的熱阻、R_m為塑封殼層中導電介質部分的熱阻、R_g為塑封殼層中塑封料部分的熱阻、A_m為塑封殼層中導電介質部分的等效傳熱面積、A_g為塑封殼層中塑封料部分的等效傳熱面積、k₄為塑封殼層的導熱系數、k₃為重布線層的導熱系數、h₄為塑封殼層的厚度；

關于盲孔結構的力學模型為：F＝E₃S_mα₃ΔT，其中，E₃為重布線層的楊氏模量、S_m為盲孔與芯片的接觸面積、α₃為重布線層的熱膨脹系數、ΔT為溫度循環的高低溫溫差；

S3、通過多目標優化遺傳算法對所述熱阻模型和所述力學模型進行優化，獲得盲孔結構的最優結果；

S4、根據S1中構建好的SiC功率器件三維模型，在重布線層上確定盲孔分布的可行域；