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World File Search System机械疲劳
CALVIN M. STEWART - 俄亥俄州立大学工程系人员
简介 Calvin M. Stewart 是俄亥俄州立大学工程学院创新学者和航空航天与机械工程系副教授。他分别于 2008 年、2009 年和 2013 年在中佛罗里达大学获得机械工程学士、硕士和博士学位。Stewart 博士负责“极端材料”项目，该项目主要研究在极端热、机械和化学条件下材料的先进制造、机械测试和理论力学。在极端条件下，蠕变、疲劳、热机械疲劳和断裂是重点关注领域。Stewart 博士在这些领域撰写了 80 多篇文章。Stewart 博士通过与美国能源部、国家核安全局、国家能源技术实验室、核能办公室、核管理委员会、霍尼韦尔 FM&T、空军研究实验室等机构的资助/合同，获得了超过 1100 万美元的研究经费。目前的研究涉及开发现代先进材料的加速测试协议、开发用于高温应用的本构模型和高级寿命预测工具、用于极端环境的高温合金和耐火合金的低成本增材制造以及飞秒激光加工的开发。感兴趣的材料包括：传统和增材制造 (AM) 高温合金、聚合物、复合材料和多功能材料等。计算兴趣包括：极端环境的“机械状态”建模、静态、时间和空间不确定性的概率建模以及用于新模型发现的人机协同机器学习。
通过功率循环测试对采用改进的互连技术的最新标准双电源模块进行老化调查
最新标准“ New Dual ”功率模块已为硅和碳化硅器件开发，以满足高可靠性和高温电力电子应用日益增长的需求。由于新封装刚刚开始投放市场，其可靠性性能尚未得到充分研究。本文研究了基于新封装的 1.7 kV/1.8 kA IGBT 功率模块的功率循环能力。研究了功率循环前后的电气和热性能。在 Δ T j = 100 K 和 T jmax = 150 ◦ C 的 120 万次循环之后，芯片和键合线均无明显性能下降。尽管如此，在测试环境中传导电压 (V ce ) 增加的寿命终止标准在约 600 k 次循环时已达到。进一步的扫描声学显微镜测试发现，疲劳位置从传统的近芯片互连（例如，键合线剥离）转移到直接键合铜 (DBC) 基板和底板层。考虑到新封装的循环寿命是传统功率模块的十倍以上，随着互连技术的进一步改进，预计热机械疲劳将不再是寿命限制机制。同时，随着先前的瓶颈（例如键合线）得到解决，一些新的疲劳机制（例如 DBC 的分层）在新封装中变得明显。
微电子可靠性
使用瞬态热分析 (TTA) 研究不同 SAC + 焊料的热机械疲劳，并使用人工神经网络 (ANN) 进行预测。TTA 测量热阻抗，并允许检测焊料裂纹和材料界面的分层。使用七种不同焊料焊接到印刷电路板上的 LED 在被动空对空温度冲击测试中老化，每 50 次循环进行一次 TTA 测量，以热阻增加为故障标准。在测试条件下，SnAgCuSb 焊料比 SAC305 参考表现出最佳性能改进。除了通过累积故障曲线和威布尔图进行标准评估外，还研究了新的可靠性评估方法来评估单个 LED 焊点的可靠性。建立了一种混合方法来预测加速应力测试期间单个 LED 焊点的故障，该方法使用具有记忆的人工神经网络（特别是 LSTM）处理 TTA 数据，其中记忆允许充分利用测量历史。使用了两种 ANN 方法，即回归和分类。这两种方法都相当准确。从回归方法中获得的信息越多，需要使用问题要求的外部知识进行更多处理，而分类方法可以更直接地实施。结果证明了集成方法在评估焊点剩余使用寿命方面的优势。
通过功率循环测试，利用改进的互连技术对最新标准双电源模块进行老化调查
通过功率循环测试对使用改进的互连技术的最新标准双功率模块进行老化调查 Yi Zhang a,* 、Rui Wu b 、F. Iannuzzo a 、Huai Wang aa AAU Energy，奥尔堡大学，丹麦奥尔堡 b Vestas Wind Systems A/S，丹麦奥胡斯 摘要 为硅和碳化硅设备开发了最新标准“新型双”功率模块，以满足高可靠性和高温电力电子应用日益增长的需求。由于新封装刚刚开始投放市场，其可靠性性能尚未得到充分研究。本文研究了基于新封装的 1.7 kV/1.8 kA IGBT 功率模块的功率循环能力。对功率循环前后的电气和热性能都进行了研究。在 Δ T j = 100 K 和 T jmax = 150 ° C 的条件下经过 120 万次循环后，芯片和键合线均没有明显的性能下降。尽管如此，在测试环境中，在约 600 k 次循环后，已达到导通电压 (V ce ) 增加的寿命终止标准。进一步的扫描声学显微镜测试发现，疲劳位置从传统的近芯片互连（例如，键合线剥离）转移到直接键合铜 (DBC) 基板和底板层。考虑到新封装的循环寿命是传统功率模块的十倍以上，预计随着互连技术的进一步改进，热机械疲劳将不再是限制寿命的机制。同时，随着先前的瓶颈（例如，键合线）得到解决，一些新的疲劳机制（例如，DBC 的分层）在新封装中变得明显。
已发表版本引用 (APA)：Zhang, Y., Wu, R., Iannuzzo, F., & Wang, H. (2022). 最新标准双电源模块老化调查
通过功率循环测试对使用改进的互连技术的最新标准双功率模块进行老化调查 Yi Zhang a,* 、Rui Wu b 、F. Iannuzzo a 、Huai Wang aa AAU Energy，奥尔堡大学，丹麦奥尔堡 b Vestas Wind Systems A/S，丹麦奥胡斯 摘要 为硅和碳化硅设备开发了最新标准“新型双”功率模块，以满足高可靠性和高温电力电子应用日益增长的需求。由于新封装刚刚开始投放市场，其可靠性性能尚未得到充分研究。本文研究了基于新封装的 1.7 kV/1.8 kA IGBT 功率模块的功率循环能力。对功率循环前后的电气和热性能都进行了研究。在 Δ T j = 100 K 和 T jmax = 150 ° C 的条件下经过 120 万次循环后，芯片和键合线均没有明显的性能下降。尽管如此，在测试环境中，在约 600 k 次循环后，已达到导通电压 (V ce ) 增加的寿命终止标准。进一步的扫描声学显微镜测试发现，疲劳位置从传统的近芯片互连（例如，键合线剥离）转移到直接键合铜 (DBC) 基板和底板层。考虑到新封装的循环寿命是传统功率模块的十倍以上，预计随着互连技术的进一步改进，热机械疲劳将不再是限制寿命的机制。同时，随着先前的瓶颈（例如，键合线）得到解决，一些新的疲劳机制（例如，DBC 的分层）在新封装中变得明显。
封装材料对无铅焊点热机械循环过程中拉伸应力的影响
摘要 电子组件使用各种具有不同机械和热性能的聚合物材料来在恶劣的使用环境中提供保护。然而，机械性能的变化（例如热膨胀系数和弹性模量）会影响材料的选择过程，从而对电子产品的可靠性产生长期影响。通常，主要的可靠性问题是焊点疲劳，这是电子元件中大量故障的原因。因此，在预测可靠性时，有必要了解聚合物封装（涂层、灌封和底部填充）对焊点的影响。研究表明，当焊料中存在拉伸应力时，由于聚合物封装的热膨胀，疲劳寿命会大大缩短。拉伸应力的加入使焊点处于周期性多轴应力状态，这比传统的周期性剪切载荷更具破坏性。为了了解拉伸应力分量对微电子焊点疲劳寿命缩短的影响，有必要将其分离出来。因此，我们构建了一个独特的样本，以使无铅焊点经受波动的拉伸应力条件。本文介绍了热机械拉伸疲劳样本的构造和验证。热循环范围与灌封膨胀特性相匹配，以改变施加在焊点上的拉伸应力的大小。焊点几何形状的设计具有与 BGA 和 QFN 焊点相关的比例因子，同时保持简化的应力状态。进行了 FEA 建模，以观察焊点在热膨胀过程中的应力-应变行为，以适应各种灌封材料的特性。焊点中轴向应力的大小取决于热膨胀系数和模量以及热循环的峰值温度。样本热循环的结果有助于将由于灌封材料的热膨胀而导致焊点经历的拉伸应力的大小与各种膨胀特性相关联，并为封装电子封装中焊点的低周疲劳寿命提供了新的见解。简介大量电子元件故障归因于焊点疲劳故障。航空航天、汽车、工业和消费应用中的许多电子元件都在波动的温度下运行，这使焊点受到热机械疲劳 (TMF) 的影响。电子组件中的焊料疲劳是温度波动和元件与印刷电路板 (PBC) 之间热膨胀系数 (CTE) 不匹配的结果。在温度变化过程中，PCB 和元器件 CTE 的差异会引起材料膨胀差异，从而使焊点承受剪切载荷。为了减少芯片级封装 (CSP) 中焊点所承受的剪切应变，人们使用了各种底部填充材料来限制焊点的变形。芯片级焊料互连（例如倒装芯片封装中的焊料）尤其受益于底部填充材料，因为它可以重新分配热膨胀应力，从而限制施加在焊料凸点上的应变。除了限制剪切应变之外，底部填充材料的膨胀还会导致球栅阵列 (BGA) 焊点产生较大的法向应变。Kwak 等人使用光学显微镜的 2D DIC 技术测量了热循环下焊点的应变 [1]。他们发现，CTE 为 30 ppm/ºC 且玻璃化转变温度 (T g ) 为 80ºC 的底部填充材料在 100ºC 的温度下可以产生 6000 µƐ 的平均法向应变。这些高法向应变并不像 BGA 封装中的剪切应变那样表现出与中性点距离相同的依赖性。法向应变的大小与 CTE、弹性模量 (E)、封装尺寸和温度有着复杂的依赖关系。法向应变的增加使焊点受到剪切应变和轴向应变的组合影响，这反过来又使焊点在温度波动的条件下受到非比例循环载荷。