GaN 基微波功率器件AuSn 共晶界面失效仿真建模.docx

1、 本科毕业论文 GaN 基微波功率器件 AuSn 共晶界面 失效仿真建模 专 业 机械工程及自动化 姓 名 指导教师 评 阅 人 20XX 年 X 月 中国 南京 河海大学本科毕业论文 BACHELORS DEGREE THESIS OF HOHAI UNIVERSITY Failure Simulation Modeling of AuSn Eutectic Interface of GaN based Microwave Power Device College： Major： Mechanical Engineering and Automation Name： Directed by：

2、 NANJING CHINA 河海大学本科毕业论文 河海大学本科毕业论文 摘 要 以 GaN、 SiC 为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、热导率高和介电常数小等特点，因此在光电子器件、高温大功率器件以及微波功率器件的应用方面具有非常广阔的发展前景。焊料作为制造微波功率器件必不可少的材料被用来连接半导体芯片以及元器件，其中焊接接头起到了机械支撑、电连接与热传导的作用。焊料的可焊性、强度、熔点以及热膨胀系数、蠕变性能、热疲劳、杨氏模量均可影响到焊料连接的质量。因此，选择合适的焊料就成为决定微波功率器件整体性能的重要内容之一。 AuSn 共晶合金作为一种无铅焊料，本身强度比较高，焊接温度适中，

3、熔点低，抗热疲劳和 蠕变性能优良，电导性好，这些优点使其成为微波功率器件封装的最佳焊料之一。 本论文首先简要介绍了 GaN 材料的研究历史、基本特性、应用领域以及发展前景。接着，以一款 GaN 基微波功率器件封装为研究对象，建立了封装器件 及 AuSn 共晶界面结构模型，考虑芯片、焊料和基板材料等影响因素，采用 ANSYS 仿真技术模拟预测了 2 种以上冷热循环负载条件下固晶界面的机械性能和散热 性能（包含芯片结温、基板温度等特性）。本研究综合运用多学科知识（如力学， 物理学，材料学等），研究材料与界面的优化设计，探索第 三代半导体新型器件 封装结构中 AuSn 共晶界面在冷热循环负载条件下的

4、失效机理。 关键词： GaN 基第三代半导体， AuSn 焊料，共晶界面， ANSYS 仿真技术， 失效机理 I 河海大学本科毕业论文 Abstract GaN and SiC, representing the third generation semiconductor material, have good physical and chemical properties with wider band gap, higher thermal conductivity and higher dielectric constant. They has a very broad develo

5、pment prospect in optoelectronic devices, high-temperature and high-power devices and microwave power device applications. As an indispensable material for the fabrication of microwave power devices, the solder joint is used to connect the semiconductor chip and components of the device, and the sol

6、der joint plays the role of mechanical support, electrical connection and heat conduction. This study briefly introduces the research history, basic characteristics, application fields and development prospects of GaN materials. The AuSn eutectic interface of the third generation of microwave semico

7、nductor power device package was selected as the research object of this study and the AuSn eutectic interface structure model was established with considering of the effects of the chip, solder and substrate materials. The mechanical performance and heat dissipation performance (including the chip

8、junction temperature, substrate temperature, and so on) of AuSn eutectic interface can be predicted with the ANSYS simulation tool. In this study, we considered more than two kinds of thermal cycle load conditions in the simulation modeling. This study integrates the multi-disciplinary knowledge (su

9、ch as mechanics, physics, materials science, etc.) and use ANSYS simulation to optimize the design of materials and interfaces. Based on the results, the failure mechanisms of AuSn eutectic interface under the designed thermal cycle load conditions were analyzed. Key words: The GaN-based third gener

10、ation semiconductor, AuSn solder, Eutectic interface, ANSYS simulation, Failure mechanisms II 河海大学本科毕业论文 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第一章 绪论 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 研究意义 . 1 1.3 研究内容与研究方法 . 2 第二章 相关研究基础 . 3 2.1 GaN 合金材料简介 . 3 2.1.1 研究历史 . 3 2.1.2 基本特性 . 3 2.1.3 应用领域及发展前景 . 3 2.2 金锡合金焊料 . 4 2.2.1 性能 . 4 2.

11、2.2 应用 . 5 2.2.3 制备 . 5 2.2.4 焊接技术的改进 . 6 2.2.5 金锡焊料与基板的界面反应 . 7 2.3 焊点可靠性 . 10 2.3.1 焊点失效的原因 . 10 2.3.2 无铅焊点可靠性的测试方法 . 10 第三章 微波功率器件 3D 模型构建 . . 12 3.1 实体模型图 . 12 3.2 实体参数 . 13 3.3 模型构建 . 13 3.4 本章小结 . 14 第四章 AuSn 共晶界面失效仿真模拟研究 . 15 河海大学本科毕业论文 4.1 相关方法及理论 . 15 4.2 有限元模拟方法的简介 . 15 4.3 本构方程的构建 . 16 4.

12、4 温度的影响 . 17 4.5 本章小结 . 18 第五章 结果分析 . 19 5.1 微波功率器件的热分析 . 19 5.1.1 微波功率器件 稳态热分析 . 19 5.1.2 微波功率器件瞬态热分析 . 23 5.2 微波功率器件线性静力分析 . 25 5.3 结果分析 . 29 第六章 结论 . 31 参考文献 . 32 致 谢 . 35 河海大学本科毕业论文 第一章 绪论 1.1 研究背景 第三代半导体（如 GaN， SiC 器件等）具有宽禁带、高迁移率及高导热等优 点，传统封装材料无法满足其高温、高频、大功率等要求。目前，业界缺乏对第 三代半导体新型器件失效机理和可靠性的系统性研究

13、。相关企业需要花费大量时 间和成本开展新材料试验、界面表征、封装设计及可靠性试验。本课题综合运用 多学科知识（如力学，物理学，材料学等），采用 ANSYS 仿真技术，研究材料 与界面的优化设计，探索第三代半导体新型器件封装结构中 AuSn 共晶界面在热 -机械复合负载下的失效机理。 1.2 研究意义 微电子的封装与组装是微电子产品生产的一个重要环节，焊接作为微电子封 装与组装的一个必不可少的步骤，焊点的质量对微电子产品的性能和质量起着至 关重要的作用，甚至对于某些产品，焊点的质量会直接影响到产品的使用要求， 因此焊点的可靠性必须引起我们足够的重视。焊点容易受到温度的影响，当我们 给焊点加一个温

14、度负载时，焊点会出现热疲劳现象。在微电子领域，焊点的热疲 劳是一个非常火热的研究课题。据数据显示，微电子会由于各种各样的原因引发 失效，但是七成的失效原因要归结于微电子的封装及组装，而微电子封装与组装 之所以会失效绝大多数时候是因为焊点的失效。因此焊点的可靠性问题决定了电 子产品的性能和发展 1。 当焊点受到温度循环时，因为每个材料的 CTE（热膨胀系数）不一样导致 “ 失 配 ” ，焊点会发生应力应变的变化，当这个变化达到某一个临界值时，焊点与焊 盘的连接部分会首先出现裂缝，接着裂缝延伸到整个焊接层 ，最后的结果就是失 效。同时，微电子设备在使用的的过程中还会受到冲击力，就像本研究一样，加

15、载不同的温度负载，金锡层所受力的类型是不同的，当冲力比较大时直接的结果 就是导致基板发生明显的变形，当基板变形后会催生出交变应力，即动应力与热 应力。交变应力的产生在一定程度上会加速裂纹的产生，也就加快了焊点失效的 速度。因此焊点的可靠性必须引起我们足够的重视。 1 河海大学本科毕业论文 主要创新点：本课题采用 ANSYS 仿真技术，进行材料与界面设计。结合有限 元及力学的方法，分析材料及其界面在多负载条件下的失效机理。该方法利用高 速的仿真技术和简化的材料表征，取代繁杂的实际物理实验工作，可减少企业的 新产品开发时间和成本。 1.3 研究内容与研究方法 本研究针对第三代半导体微波功率器件封装

16、固晶工艺中的 AuSn 共晶界面， 建立 AuSn 共晶界面结构模型，考虑芯片、焊料和基板材料等影响因素，预测固 晶后界面的机械性能和散热性能（包含芯片结温、基板温度等特性）。本实验将 考虑 2 种以上 2 种以上冷热循环负载条件下进行仿真建模。详细的内容大致分为 三个模块： （ 1）大致介绍一下半导体材料的发展现状及未来前景，然后参考相关资料 阐述金锡合金的性能、制备等相关内容。 （ 2）根据微波功率器件的相关参数，运用 Solidworks 软件画出该功率器件 的 3D 模型，再将这个 3D 模型导入到 ANSYS 软件中进行分析。 （ 3）研究金锡合金层在加载温度负载条件下的可靠性。运用

17、有限元分析对 金锡合金层内部的应力应变变化过程进行分析，找出金锡合金层的主要失效模式 和失效机理。 2 河海大学本科毕业论文 第二章 相关研究基础 2.1 GaN 合金材料简介 2.1.1 研究历史 回顾半导体产业的发展历程可以发现，第一代的半导体材料非常少，最常用 的就是硅和 锗 ，随着各种材料性能的研究和发展，第二代的半导体材料的数量有 了明显的增加例如 ALAs、 Gap、 InP、 GaAs、 InAs 及其合金。第三代半导体材 料是以 ZnSe、金刚石、 SiC、和 GaN 等为主的宽禁带半导体材料，在过去的这 几年间迅猛发展。宽禁带半导体材料不同于前两代半导体材料的地方在于其更好

18、的导热性能、更小的介电常数、更高的电子漂移饱和速度及更大的禁带宽度等， 这些优点不仅对高密度集成、高频、大功率和抗辐射的电子器件的制作非常适合， 而且有利于紫外光、绿、蓝光的光探测器件和发光器件的制作。 GaN 材料在过 去不被看好，因而发展停滞不前，这是由以下几个原因导致的：单晶衬底材料不 合适 (GaN 的晶格与蓝宝石的衬底失配高达 14% )、 p 型掺杂的失败、 n 型本底浓 度太高以及过大的位错密度 (约为 ZnSe 密度的 107 倍 )等。而从 90 年代开始 ,由 于器件的工艺水平不断提高、材料逐渐发展 , GaN 基器件得以快速发展 , 对 GaN 研究的热潮在全世界蓬勃发展

19、起来 1。 2.1.2 基本特性 作为 族氮化物材料之一， GaN 是当下该领域的研究热点与重点。除了硬度 高， GaN 也具有极其稳定的化学性质 ,并且不溶于水、碱和酸（常温下），其融 点也比较高，约为 1700 。制约电子器件性能的关键要素是 GaN 的电学性质， 室温条件下，电子的迁移率能够高达 900cm 2 / (V s) 。 2.1.3 应用领域及发展前景 GaN 材料特征及性能优良，使从而促使其应用前景广阔。随着外延衬底和 p-GaN 掺杂等难题得以破解， GaN 器件迎来了新的发展阶段。目前 , 绿色发光 二极管 ( LED)和高亮度的 GaN 蓝色已经在向商品化方向发展 ,对紫外线探测器与 GaN 场效应晶体管的开发更加深入，此外，室温条件下工作的蓝色激光二极管 也已被成功研制出。随着 Ga InN 蓝、绿光 LED 和高亮度 AlGa InP 红光 LED 不断商 品化，不难发现，从单色显示到彩色显示，由室内到室外，光 LED 的功能不断完 3