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S. Khanna
机械工程系。马里兰大学克拉克工程学院
学院公园，MD 20742, USA sumeer87@umd.edu
P. McCluskey
机械工程系。马里兰大学克拉克工程学院
学院公园，马里兰州20742，美国，mcclupa@umd.edu
M. Manno
机械工程系。马里兰大学克拉克
工程学院
学院公园，MD 20742, USA manno@umd,edu
Bar-Cohen
机械工程系。马里兰大学克拉克工程学院
学院公园, MD 20742, USA abc@umd.edu
Yang
机械工程系。马里兰大学克拉克工程学院
学院公园，马里兰州20742，美国, MD 20742, USA baoyang@umd.edu
M. Ohadi
机械工程系。马里兰大学克拉克
工程学院
学院公园， MD 20742, USA ohadi@umd.edu
摘要：
器件功率和封装集成水平的不断提高推动了先进电力电子封装解决方案的发展。本研究将集中在设计分析的数值模拟方法和材料的选择来提高焊点可靠性的这些先进的解决方案——一个热集成电力电子方案,旨在消除热点热通量(5 kW / cm2)通过基于mini-contact热电(TE)冷却除了删除背景热通量(1千瓦/ cm2) manifold-microchannel冷却。用于结构可靠性建模的方法是非线性有限元分析(FEA)方法。采用热分析和力学分析相结合的方法，获得了用于集成TE冷却器与微型接触器和与碳化硅(SiC)芯片的微型接触器的焊点的应力和应变。为了预测SAC305在不同集成级别上的平均失效时间(MTTF)，使用了基于失效物理(PoF)的方法，使用的是Engelmaier失效模型。
本文讨论了用碳化硅、铜和金刚石制成的锥形、t形和锥形微触头的分析结果。焊点的结构设计和材料选择都影响着焊点的散热和焊点的可靠性。SiC在室温(RT)下具有良好的热导率，但是随着温度的升高，其热导率下降，这可能对高温应用中的器件性能产生不利影响。另一方面，可以利用铜、金刚石或银-金刚石复合材料等高导电性材料来保持器件的低温，从而提高封装寿命。然而，对于这种高导电率的材料，我们需要考虑制造复杂形状的成本，而不需要在封装的热性能或可靠性性能上做出任何让步。
研究发现，韧性微接触材料与焊料间的热失配应变相同，而脆性微接触材料则会将失效点转移到TE冷却器内。结果表明，在接近顶部基底处采用锥形微接触结构，在靠近芯片(底部基底)处采用顶封(恒定截面面积)结构，可获得最佳的可靠性结果。讨论了高导电复合材料(银-金刚石复合材料)在提高结构可靠性方面的应用。
简介
结构可靠性是指系统在机械载荷作用下，包括在规定时间内的热诱导机械载荷作用下，不发生失效的能力。
在Wang, Yang 和 Bar-Cohen [1]的研究中，微触点（mini-contact)的增强有助于实现用来缓解因气温上升而造成的高热流的热电冷却。研究发现一个集成的mini-contact TE冷却器可以降低17摄氏度热点的温度，比传统chip-package的效果更好，正如他们在研究中所讨论的，“微触点概念”是一种通过减小连接TEC和模具的触点尺寸来增加现有TECs的冷却通量的方法(这与TEC基体和微触点的面积比呈正相关)。微型触点的优点是它允许TEC主要在热点热负荷下工作。在他们的分析中,热通量的1250 W / cm2应用的热点大小400micro;m x 400micro;m除了背景热通量的70 W /平方厘米。这个概念的示意图如下图1所示。
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热电元件(橙色的N和P块)通过焊点夹在两个陶瓷封头之间(示意图中没有显示)。封头和元件构成了TE冷却器，它与微型接触结构相连接。整个组件(冷却器和接触器)通过热接口材料(TIM)夹在热扩散器和芯片之间。
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图1集成微型触点TE冷却, [1]
目前的研究是由美国国防部高级研究计划局的BarCohen教授发起的ICECool基础项目的一部分。该项目旨在克服现有热管理解决方案(远程空气冷却)的限制能力，通过先进的军事系统驱散高密度热产生。上述计划的成功完成将导致电力电子(计算机、激光和射频电子)中芯片级的产热密度和系统级的散热密度之间的差距的消除。摘要基于微接触的热电现象是一种新型的冷却现象，其中冷却器起着热泵的作用(联箱底部是冷的，而联箱顶部是热的)。泵排出的热量通过冷却剂排出。图1显示了包中预期的热量流。
本文所研究的电力电子包的示意图如下图2所示。微通道冷却器的设计是基于奥哈迪教授和他在马里兰大学的研究小组的工作。在他们的工作中，他们报告了嵌入式两相冷却的微冷却器，饲料技术[2]的优势。主要目标是确定一个封装设计，其中一个可以集成基于微接触的TE冷却与流形微通道冷却。因此，我们假设当微触点TE冷却器组件嵌入管汇微通道冷却器内部时，这种集成将最有利于散热高热流密度。在下面的章节中，热可靠性和结构可靠性的建模结果将证明这一点。20micro;m焊点(SAC305)认为各级的集成(TE冷却器- mini-contact和mini-contact- SiC晶片)在三维电力电子方案的各种选项。这种结合线是常用的，应该提供低的热阻，而不会对焊料的可靠性造成很大的影响。之所以选择SAC 焊料 , 因为它提供了良好的粘附强度 对 温度/条件被认为是最适合当前的材料, 理想应用温度在 100 C - 150 C. 的 范围(3、4)
(a)
B - B
(b)
A - A
(c)
Figure 2 Power Electronics Package Sectional Views
- Top view, (b) Center Section (B-B) and (c) Side Section(C-C)
上面研究的电力电子封装是一种脆性和延性材料的组合。为了预测故障位置，进而预测故障发生的时间，提出了一种基于PoF的故障预测方法。像焊料和微触点(铜)这样的材料在本质上是延展性的，因此，冯-米塞斯应力准则被用来研究它们是如何发生失效的。另一方面，为了研究脆性材料的断裂，采用了最大主应力理论。失效模型将在以下章节中介绍。
ENGELMAIER的失败模型
在电力电子封装过程中，焊点失效的主要机制之一是循环热机械疲劳。在文献中有各种各样的模型可用来预测焊点的可靠性。Morrow给出了第一个疲劳损伤模型。Coffin Manson基于Morrow的工作提出了疲劳模型。虽然他的模型似乎提供了一个良好的初步分析，但它有几个不足之处，恩格尔迈耶已经解决了。其缺点主要是未能捕捉到循环频率、焊料和衬底温度等参数与引线刚度之间的关系。
ENGELMAIER的失效模型的输入包括:(1)焊料平均塑性应变，(2)热循环停留时间，(3)焊料平均温度。模型方程如下:根据Chauhan, P.， Osterman, M.， Lee, S.W.R.， Pecht, M.报道的加速试验结果，根据CALCE模型曲线得到SAC305焊料的常数[5,6]。
Nf (50% ) = 0.5 * (0.480/D) m
1/m = c0 c1Tsj ln (1 t0/tD)
1/m = 0.390 9.3*10-4Tsj – 1.92*10-2 ln (1 100/tD
D - 塑料 strain, t0 - time, T sj - 焊接 平均 温度
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功率电子放大器将根据应用条件进行功率循环。Based 信息 可以 从 manufacturer, 确定 一 个 热 循环 将 开始 在 房间 temperature, 升至 峰值 温度 (ge; 100 C) 短 时间 内 (1 或 2 minutes) 和 保持 不变 的 温度 在 指定 时间 (dwell), 结束 后跟 cycle, 温度 会 降到 房间 所以 的 地方这个循环将重复，直到电力电子设备关闭(室温)。为了预测焊料的可靠性，失效模型的输入将是单个热循环的停留时间。本研究的周期停留时间分别为596分钟、20分钟和1分钟。利用威布尔分布函数预测平均失效时间(Mean Time to Failure, MTTF)[5,6]，其中威布尔pdf的均值为:Here, = Nf (50%) 收到 通过 Engelmaierrsquo;s model, = 0 的位置参数和 = 3 是 正常 distribution. Weibull pdf 类似 的 形状 参数
MTTF = * (1 1/)
Engelmaier模型是文献中广泛用于焊料可靠性预测的疲劳损伤模型之一。然而，有许多假设和相关的缺陷[5]。这些包括模型对某些包装设计类型的适用性、焊点几何形状、焊点蠕变、铅-焊点CTE失配和硬引线/大膨胀失配。由于Engelmaier不能解决所有的缺陷，所以应该使用基于蠕变应变模型、基于能量和基于损伤的模型等复杂模型
屈服现象
材料的屈服点被定义为应力-应变曲线上的那个点，在施加的载荷条件下，力学行为从弹性变为塑性。该包装由两种材料组成，一种材料由于热机加载条件会发生塑性变形，另一种材料只会发生弹性变形。研究韧性材料(焊料、铜)、Von-Mises (HMH准则)或Max的失效。可采用剪切(TG准则)屈服现象。TG标准是一种更保守的预测失败的方法，因此，冯-米塞斯失败理论被考虑。另一方面，对于易碎材料，则采用最大硬度。主应力理论被用来确定失效。图3为韧性脆性材料[7]试样的实验测试数据所得到的这些现象的平面应力破坏位点图。
图3 3个准则的平面应力失效位点[6]
有限元（FE）模型的建立
在本节中，我们将讨论:(1)考虑应力分析的CAD模型几何形状，(2)使用的材料，(3)啮合和(4)应用的边界条件(热和机械)。图4中所示的CAD模型给出了power electronics包的概述。
图4四分之一对称CAD模型
SiC substrate GaN
图5(3micro;m)碳化硅衬底(100micro;m
电力电子由一个3micro;m氮化镓(GaN) epi-layer活跃的一面100micro;m碳化硅(SiC)衬底(图5)。理想情况下,完整的包将相互关联的PCB(印刷电路板)通过表面焊接山像BGA(球阵列)。由于缺乏包装信息(焊料和PCB-材料和几何)可从制造商，它是假定基板基底面积将完全与PCB表面面积接触。为了对该边界条件进行建模，假设包装基面在各个方向都受到充分的约束。此外，PCB没有建模的简单和原因前面提到。
对于离散的迷你接触选项，考虑了三种不同的形状，如图6所示。这包括t形，阁楼和锥微接触几何。mini-contact高度,宽度600micro;m顶部和底部的基地,1200micro;m和300micro;m分别对三例病例。
- t形Mini-contact结构
（b）漂浮Mini-contact结构
（c）锥形Mini-contact结构
图6微型接触几何形状和尺寸(a) t形，(b)阁楼和(c)锥形结构
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图7 TE冷却器材料堆叠
TE冷却器作为一个热泵，冷却现象是基于佩尔蒂尔效应。TE冷却器的冷却通量(主动侧)可以通过微接触结构集中在一个小面积(微接触基)上，这将集中于热点热通量[2]的消散。TE冷却器材料堆的示意图如图7所示。冷却器由Laird技术公司提供。热电元件是碲化铋(Bi2Te3)。如图7所示，单个元素通过两侧的焊点夹在两个氮化铝(AlN)封头之间。为了焊接该接头，在AlN头的
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