【技术】eGaN FET热机械可靠性分析及应力测试
EPC公司增强型氮化镓功率晶体管(eGaN FET)EPC80xx系列(EPC8002、EPC8004、EPC8009、EPC8010)采用栅格阵列封装,具有高开关速度、低导通电阻和低成本的优势,在超高速DC/DC变换、射频包络跟踪、无线电能传输、游戏机以及工业遥感领域具有广泛应用。为了确保较高的现场可靠性,实际使用时需要了解eGaN FET焊接安装的热机械性能。本文重点介绍该系列的热机械可靠性分析和应力测试,最终推导出基于热循环周期失效次数的预测寿命模型。
热机械可靠性
由于EPC设备无需塑料封装、引线键合以及传统功率封装的模具附着材料,消除了封装接口,但是可能发生热应力失效,因此需要重点关注裸片和PCB之间焊点的可靠性。
焊点应力主要来源于裸片、焊点和PCB的温度波动,三种附着材料的热膨胀系数(CTE)不匹配,成为焊点应力的主要影响因素。在高于或低于环境温度的温度漂移期间,裸片(CTE~3ppm/℃)和典型FR4/FR5 PCB基板(CTE~10-16ppm/℃)以不同的速率进行膨胀和收缩,那么焊点就会发生剪应变。在经历多个温度循环后,剪应变对焊点的反复作用会导致疲劳和最终开裂(如图1所示)。除了造成信号强度降低或完全丢失以外,开裂焊点还会导致更高的裸片温度,进而影响设备的可靠性。
图1 间歇寿命测试导致的焊点开裂
热机械应力测试和建模
目前主要有两种的应力测试来评估热机械可靠性,分别为温度循环(TC)和间歇寿命(IOL):TC测试需要无偏差的运行条件,通过两个环境温度等级之间的循环测试(EPC设备典型温度-40℃~125℃);IOL应力测试采用递增的循环功率,首先使元件结温升高到预期水平,随后再降低功率使结温返回到初始条件(典型循环温度ΔTJ=100℃)。
由于裸片和PCB可能存在的较大CTE差异以及峰值温差,那么热应力循环内将出现更多焊点应变,影响应变幅值的主要因素为焊点与裸片中性点的距离、焊点底座高度。下面的方程可以用来预测某个焊点的热机械剪应变,并且给出了主要影响因素之间的关系:
其中ε为焊点的剪切应力,Δα为裸片与PCB的CTE差值,ΔT为循环温度变量,DNP为焊点和裸片中性点之间的距离,t为焊点底座高度。
为了制定基于热循环周期失效次数的预测寿命模型,通过不同的温度曲线测试设备焊点失效情况,并且计算热循环周期内的焊点应变能。初步的寿命模型采用四种不同温度曲线进行IOL应力测试(ΔTJ=100℃,ΔTJ=125℃,ΔTJ=138℃,ΔTJ=150℃),测试设备选用EPC80xx系列,计算出每个温度曲线对应的循环应力-应变能密度。图2所示为该循环模型的应力-应变能密度实例(ΔTJ=150℃),X轴和Y轴分别表示温度循环范围内焊点的剪切应变和应力分布情况,环路区域面积表示每个温度循环内的总塑性(蠕变)应变能密度。
图2 EPC80xx系列的应力-应变能密度曲线图
图3给出了计算应变能密度与T50失效循环数量(测试群体50%失效)之间的关系,幂律特性曲线能很好的拟合数据,通过下面的方程预测失效循环次数(Nf),其中ES为应变能:
图3 IOL测试数据拟合曲线图
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