濕度大揭秘！如何影響功率半導(dǎo)體器件芯片焊料熱阻？

近年來，隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，功率半導(dǎo)體器件在風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、電動(dòng)汽車等戶外工況中的應(yīng)用日益廣泛。然而，這些戶外環(huán)境往往伴隨著較高的濕度，這對(duì)功率半導(dǎo)體器件的運(yùn)行可靠性構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。特別是濕度對(duì)功率半導(dǎo)體器件芯片焊料熱阻的影響，已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。本文將深入探討濕度對(duì)功率半導(dǎo)體器件芯片焊料熱阻的影響機(jī)理，以期為功率半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用提供理論支持。

一、引言

功率半導(dǎo)體器件在工作過程中會(huì)產(chǎn)生損耗，這些損耗最終會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致器件溫度上升。器件的溫度升高與產(chǎn)生的熱量和散熱效率密切相關(guān)，其中散熱效率又受到散熱通路熱阻的影響。芯片焊料作為功率半導(dǎo)體器件散熱通路中的重要組成部分，其熱阻特性對(duì)器件的散熱性能具有重要影響。然而，濕度作為一種環(huán)境因素，可能通過多種機(jī)制影響芯片焊料的熱阻特性，進(jìn)而影響器件的可靠性和壽命。

二、濕度對(duì)功率半導(dǎo)體器件芯片焊料熱阻的影響機(jī)理

（一）濕度對(duì)芯片焊料物理特性的影響

1. 吸濕膨脹

芯片焊料在高濕度環(huán)境下容易吸濕，導(dǎo)致焊料層體積膨脹。這種膨脹效應(yīng)可能改變焊料層的微觀結(jié)構(gòu)，如增加孔隙率、改變焊料晶粒尺寸等，從而影響焊料的熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率是影響熱阻的關(guān)鍵因素之一，熱導(dǎo)率降低會(huì)導(dǎo)致熱阻增大，進(jìn)而影響器件的散熱性能。

1. 化學(xué)腐蝕

濕度環(huán)境中的水分子可能與焊料中的金屬元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致化學(xué)腐蝕。這種腐蝕作用可能使焊料層表面變得粗糙，增加熱阻。同時(shí)，腐蝕還可能改變焊料的熱容和密度，進(jìn)一步影響焊料的熱阻特性。

1. 爆米花效應(yīng)

對(duì)于濕敏器件，在高濕度環(huán)境下存放后，如果經(jīng)歷高溫?zé)崽幚憝h(huán)節(jié)（如回流焊、波峰焊等），會(huì)導(dǎo)致器件內(nèi)部潮氣氣化，進(jìn)而產(chǎn)生爆米花效應(yīng)。這種效應(yīng)會(huì)使器件膨脹，撐開塑封膠體或基板，并在冷卻過程中由于材料熱脹冷縮速率不一致，造成內(nèi)部材料出現(xiàn)裂紋。這些裂紋可能會(huì)貫穿焊料層，增加熱阻。

（二）濕度對(duì)芯片焊料熱阻的直接影響

1. 熱導(dǎo)率變化

如前所述，濕度引起的吸濕膨脹和化學(xué)腐蝕可能改變焊料的熱導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)水汽含量占芯片焊料層內(nèi)物質(zhì)總量的0.1%時(shí)，焊料的熱導(dǎo)率會(huì)顯著降低至原來的91.4%。熱導(dǎo)率的降低意味著熱量在焊料層中的傳遞速度減慢，從而導(dǎo)致熱阻增大。

1. 熱容和密度變化

濕度還可能改變焊料的熱容和密度。雖然熱容和密度對(duì)熱阻的直接影響相對(duì)較小，但它們的變化可能會(huì)間接影響焊料的熱阻特性。例如，熱容的增大會(huì)導(dǎo)致焊料層在吸收相同熱量時(shí)溫度升高較慢，從而影響熱量的傳遞過程；密度的變化則可能影響焊料層的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響熱阻。

（三）濕度對(duì)器件整體熱阻的影響

芯片焊料熱阻的變化會(huì)進(jìn)一步影響器件的整體熱阻。在功率半導(dǎo)體器件中，散熱通路通常包括芯片、焊料層、散熱器等多個(gè)部分。芯片焊料熱阻的增大意味著熱量在傳遞到散熱器之前需要經(jīng)過更長的阻力路徑，從而導(dǎo)致器件整體熱阻增大。整體熱阻的增大將降低器件的散熱性能，使器件在相同功耗下溫度升高更快，進(jìn)而影響器件的可靠性和壽命。

三、濕度對(duì)功率半導(dǎo)體器件芯片焊料熱阻影響的實(shí)驗(yàn)研究

為了深入探究濕度對(duì)功率半導(dǎo)體器件芯片焊料熱阻的影響機(jī)理，研究者們進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。這些實(shí)驗(yàn)通常采用高溫高濕存儲(chǔ)、功率循環(huán)測(cè)試以及熱阻測(cè)試等方法，對(duì)器件在不同濕度環(huán)境下的熱阻特性進(jìn)行表征和分析。

（一）高溫高濕存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)

高溫高濕存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)是一種常用的可靠性測(cè)試方法，旨在模擬器件在戶外高濕度環(huán)境下的長期存儲(chǔ)條件。通過將器件置于規(guī)定溫度和濕度條件下存儲(chǔ)一定時(shí)間（如85℃/85%相對(duì)濕度條件下存儲(chǔ)1000小時(shí)），可以觀察器件性能的變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過高溫高濕存儲(chǔ)后，器件的芯片焊料熱阻會(huì)顯著增大。

（二）功率循環(huán)測(cè)試

功率循環(huán)測(cè)試是一種模擬器件在實(shí)際工作過程中反復(fù)開通和關(guān)斷條件的測(cè)試方法。通過將器件置于規(guī)定的負(fù)載電流、阻斷電壓和環(huán)境溫度條件下進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，可以觀察器件性能的退化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過高溫高濕存儲(chǔ)后的器件在功率循環(huán)測(cè)試中表現(xiàn)出更明顯的性能退化現(xiàn)象，如熱阻增大、鍵合線斷裂等。

（三）熱阻測(cè)試

熱阻測(cè)試是一種直接測(cè)量器件散熱通路熱阻的方法。通過測(cè)量器件在不同功耗下的結(jié)溫和環(huán)境溫度差值，并結(jié)合功耗值計(jì)算得到器件的熱阻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過高溫高濕存儲(chǔ)后的器件在相同功耗下結(jié)溫升高更快，即熱阻增大。

四、濕度對(duì)功率半導(dǎo)體器件芯片焊料熱阻影響的仿真研究

除了實(shí)驗(yàn)研究外，仿真研究也是探究濕度對(duì)功率半導(dǎo)體器件芯片焊料熱阻影響機(jī)理的重要手段。通過建立器件的熱-濕-力多物理場(chǎng)耦合仿真模型，可以模擬器件在不同濕度環(huán)境下的熱阻特性變化情況。

（一）仿真模型建立

在建立仿真模型時(shí)，需要充分考慮器件的材料特性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及濕度對(duì)材料特性的影響。例如，需要準(zhǔn)確描述焊料的熱導(dǎo)率、熱容、密度等物理特性隨濕度的變化關(guān)系；同時(shí)還需要考慮濕度對(duì)焊料層微觀結(jié)構(gòu)的影響以及由此產(chǎn)生的熱阻變化。

（二）仿真結(jié)果分析

通過仿真計(jì)算可以得到器件在不同濕度環(huán)境下的熱阻特性變化情況。仿真結(jié)果表明，隨著濕度的增加器件的芯片焊料熱阻會(huì)逐漸增大；同時(shí)還可以通過仿真結(jié)果分析濕度對(duì)器件其他性能參數(shù)（如阻斷電壓、漏電流等）的影響情況。

五、濕度對(duì)功率半導(dǎo)體器件芯片焊料熱阻影響的應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)濕度對(duì)功率半導(dǎo)體器件芯片焊料熱阻的影響機(jī)理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以采取一系列應(yīng)對(duì)措施來提高器件的可靠性和壽命。

（一）優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)

通過優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)可以減少濕度對(duì)器件內(nèi)部的影響。例如采用密封性更好的封裝材料、增加防潮劑等手段可以有效地防止水分進(jìn)入器件內(nèi)部；同時(shí)還可以通過優(yōu)化封裝內(nèi)部的熱傳導(dǎo)路徑來提高器件的散熱性能。

（二）改進(jìn)材料特性

通過改進(jìn)焊料等關(guān)鍵材料的特性也可以提高器件的抗?jié)穸饶芰Α＠绮捎梦鼭裥愿?、熱?dǎo)率更高的焊料材料可以減少濕度對(duì)焊料層的影響；同時(shí)還可以通過對(duì)焊料表面進(jìn)行特殊處理（如涂覆防潮涂層等）來提高其抗?jié)穸饶芰Α?/span>

（三）加強(qiáng)可靠性測(cè)試

通過加強(qiáng)可靠性測(cè)試可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)器件在濕度環(huán)境下的性能退化現(xiàn)象，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行改進(jìn)。例如增加高溫高濕存儲(chǔ)、功率循環(huán)等可靠性測(cè)試項(xiàng)目可以全面地評(píng)估器件在濕度環(huán)境下的性能和可靠性水平。

六、結(jié)論與展望

綜上所述，濕度對(duì)功率半導(dǎo)體器件芯片焊料熱阻的影響機(jī)理是一個(gè)復(fù)雜而重要的問題。通過深入探究濕度對(duì)焊料物理特性的影響、焊料熱阻的直接影響以及器件整體熱阻的變化情況，可以為功率半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用提供理論支持。未來隨著材料科學(xué)和仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，相信我們可以更加深入地理解濕度對(duì)功率半導(dǎo)體器件芯片焊料熱阻的影響機(jī)理，并開發(fā)出更加可靠和高效的功率半導(dǎo)體器件產(chǎn)品。