[发明专利]一种高可靠性的嵌入式SiC功率器件封装设计方法

说明书

本发明公开了一种高可靠性的嵌入式SiC功率器件封装设计方法，属于封装领域，包括：S1构建SiC功率器件的三维模型，确定SiC功率器件的结构和参数；S2基于经验公式获得关于盲孔结构的热阻模型和力学模型；S3通过多目标优化遗传算法对热阻模型和力学模型进行优化，获得盲孔结构的最优结果；S4根据S1中三维模型，在基板上确定盲孔分布的可行域；S5对于可行域内的盲孔位置分布进行有限元仿真实验；S6构建盲孔层中关于盲孔位置分布的最大热应力模型和最大散热温度模型，并获得盲孔位置分布的最优结果；S7根据S3和S6获得SiC功率器件中盲孔结构与位置分布的设计。本发明方法合理有效，能够设计出在高温条件下具有高可靠性的嵌入式SiC功率器件。

技术领域

本发明涉及SiC功率器件封装技术领域，特别涉及一种高可靠性的嵌入式SiC功率器件封装设计方法。

背景技术

与Si芯片相比，SiC芯片可以用更小的体积实现更高耐压、更低损耗，从而给牵引变流系统和电力传输系统的研发设计带来更多便利。此外，SiC芯片具有更低的输出电容和栅电荷。这种高开关速度、低开关损耗、高开关频率的特点，可以提高电源模块的功率密度和效率。

另外，在较高的温度下，Si IGBT的开关损耗会显著增加，而SiC功率器件的开关损耗随温度变化不大。但是，目前SiC功率器件在高温环境下的应用依然受到极大的限制。这其中最重要的限制因素之一是其在高温条件下的可靠性不确定性。因为功率半导体的寿命与其热分布密切相关，此外，随着温度量级的升高，长时间的热循环容易加速焊丝剥离、焊料裂纹等磨损过程。

因此，需要开发新的无引线等封装技术来推动电源模块的发展，而对于无引线封装的SiC功率器件需要有方法对其结构进行优化。

发明内容

针对现有技术存在的无引线封装的SiC功率器件的结构设计，尤其是其中盲孔的结构和位置分布设计不合理的问题，本发明的目的在于提供一种高可靠性的嵌入式SiC功率器件封装设计方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一方面，本发明提供一种高可靠性的嵌入式SiC功率器件封装设计方法，所述方法包括以下步骤：

S1、构建SiC功率器件的三维模型，确定SiC功率器件的结构和参数；其中，所述SiC功率器件包括依次层叠布置的基板、焊层、SiC MOSFET芯片和重布线层，所述基板、所述焊层和所述SiC MOSFET芯片封装在塑封壳层内，且所述塑封壳层朝向所述重布线层的表面设置有用于连通所述SiC MOSFET芯片与所述重布线层的盲孔，所述盲孔内填充有导电介质；所述参数包括所述盲孔的孔径、所述盲孔的孔深以及所述盲孔之间的相对位置；

S2、基于经验公式获得关于盲孔结构的热阻模型和力学模型；

其中，关于盲孔结构的热阻模型为：其中，R₄为塑封壳层的热阻、R_m为塑封壳层中导电介质部分的热阻、R_g为塑封壳层中塑封料部分的热阻、A_m为塑封壳层中导电介质部分的等效传热面积、A_g为塑封壳层中塑封料部分的等效传热面积、k₄为塑封壳层的导热系数、k₃为重布线层的导热系数、h₄为塑封壳层的厚度；

关于盲孔结构的力学模型为：F＝E₃S_mα₃ΔT，其中，E₃为重布线层的杨氏模量、S_m为盲孔与芯片的接触面积、α₃为重布线层的热膨胀系数、ΔT为温度循环的高低温温差；

S3、通过多目标优化遗传算法对所述热阻模型和所述力学模型进行优化，获得盲孔结构的最优结果；

S4、根据S1中构建好的SiC功率器件三维模型，在重布线层上确定盲孔分布的可行域；