功率半导体器件是电力电子系统中最重要的组成部件,在通讯、交通、国防以及宇航等领域得到了广泛应用。采用晶体管外形封装的分立式器件为中央处理器提供必要的电源管理和转换控制,在电路中发挥着不可替代的作用,是当下最为主流的功率半导体器件。由于其工作具有环境温差大、变化频率高等特点,特别是对于航天器件,服役过程中需要面对日照区太阳的强烈辐射和阴影区的黑冷,高低温变化幅度极大。因此需对产品进行严苛的温度循环测试使其达到相应的性能标准,这就对此类器件的封装提出了较高的要求。本文正是基于与某企业的合作的科研项目“某封装产品可靠性研究”,针对该企业设计生产的一款典型塑封功率半导体器件在GJB 7400-2011标准温度循环测试中暴露出的可靠性问题,采用理论分析与有限元仿真相结合的方法,分析器件在温度循环中的应力应变行为,基于引入频率和温度修正项的Coffin-Manson方程进行寿命预测,研究器件封装结构、封装材料对其寿命的影响,另外对封装工艺中的焊料溢出现象进行分析并做出优化设计。论文主要工作归纳为:1、首先在ANSYS Workbench中建立器件的有限元模型。随后进行塑封料参数测试,得到本研究所涉及的五种塑封料(EK系列的EK5600H、EK5600GH和EK5600GHR,以及GR系列的GR700和GR710)的储能模量。最后基于GJB 7400-2011温度循环测试要求加载了温度循环载荷,通过仿真得到如下结论:(1)加载五个周期温度循环载荷后,芯片棱角处应力最大,焊料层危险点位于边缘位置,与该器件的温度循环测试结果具有较好的一致性;(2)焊料层危险点等效应力随温度循环产生周期性变化,且低温阶段焊料层等效应力更大;(3)该企业设计的此款器件温度循环寿命为303cycles,需要进行优化设计才能达到温度循环测试的验收要求,2、对该器件进行塑封料优化仿真,结果表明塑封料储能模量变化率对器件温度循环寿命影响较大。EK5600GH塑封料储能模量变化率最小,对应的器件温度循环寿命最高,为1534cycles,较之于该企业使用的EK5600GHR塑封料,温度循环寿命提高了3.1倍。3、对不同芯片尺寸和焊料厚度的器件进行了温度循环仿真,发现小的芯片尺寸和大的焊料厚度可以降低焊料层等效应力和危险点剪切塑性应变范围,增加器件的温度循环寿命。采用0.8mm×0.8mm芯片,器件的温度循环寿命为3782cycles,较之于初始芯片尺寸为3.25mm×3.99mm的器件,温度循环寿命提高了10.4倍。焊料厚度为50μm时,器件的温度循环寿命为2716cycles,较之于初始焊料厚度为10μm的器件,温度循环寿命提高了6.9倍。4、取该企业制造的8组样品框架进行VMS影像测试,得到该企业现有封装工艺下的焊料溢出规律。根据测量结果分析不同焊料溢出情况对器件温度循环寿命的影响,结果表明焊料溢出会降低器件的温度循环寿命;单侧溢出比四周溢出对器件可靠性的影响更为严重,上侧溢出和右侧溢出对应的器件温度循环寿命分别降低了85.1%和85.7%。5、通过在引线框架上设计焊料限位槽结构降低焊料溢出对器件可靠性的影响。仿真表明控制限位槽中焊料挤出高度可以增加器件温度循环寿命,本文将10μm作为工程设计的参考值,此时器件的温度循环寿命为3891cycles,与制作限位槽前相比,提高了3.3倍。