电子器件热可靠性及相关设备研究

摘要

可靠性试验是电子产品制造后的关键环节，而环境箱则是可靠性试验中最为常用的设备。电子产品封装后，可靠性是其最为关心的问题，回流炉焊接的优劣会对电子产品可靠性产生影响。研发出新型的回流焊接炉和环境试验箱，对电子元器件封装中的回流焊接和可靠性试验有很强的促进作用。目前，电子封装随着功率密度的增大普遍存在散热不理想的问题；可靠性试验则存在着试验量太大和效果欠佳的问题；环境试验箱存在着功能太过单一而不能进行多种环境试验的问题，也不能满足特殊要求的环境试验；小型回流炉存在着不能批量焊接、不能流水线作业和焊接过程中不能快速冷却的问题。另外，环境箱和回流炉内的温度均匀性高低也会影响可靠性试验和回流焊接效果。
　　针对上述出现的问题，采用了设计、模拟和试验的方法，对封装与散热、可靠性试验、可靠性设备和回流焊接设备进行了研究。设计方面，为IGBT模块设计了两个水冷微通道散热结构，设计了三个不同的回流焊接炉和一个多功能环境试验箱，也为拉伸试验装置设计了一个加热箱和一个低温箱。模拟方面，对LED在环境试验箱中的热性能进行了模拟，也模拟了循环箱和加热箱的温度场和流场分布，分析了其温度均匀性。试验方面，对LED进行了可靠性试验，测试了加热箱、低温箱和循环箱内温度分布情况和温度均匀性，并重点研究了温度均匀性。本文的工作与创新点主要有：
　　（1）对LED和IGBT的封装工艺及散热性能进行了研究，为IGBT模块设计了两种新型水冷微通道散热器。对LED进行了带电和不带电的温度冲击试验，并测试了LED试验中的光通量变化。对LED进行了高温和低温下的虚拟可靠性模拟，分析了应力分布和变化情况，并研究了几种计算LED寿命的方法。
　　（2）研究了普通环境试验箱中的高低温循环箱和温度冲击箱，提出了多功能环境试验箱，也为拉伸试验用的装置量身订做了一个特殊的加热箱和一个低温箱。低温箱中考虑了采用液氮冷却和热电制冷的方法。
　　（3）对在氮气气氛下的回流焊接工艺和在不同回流曲线下的焊接分别进行了试验研究，提出了旋转式回流焊接炉、液氮冷却式回流焊接炉和接触式回流焊接炉。
　　（4）研究了几个影响温度均匀性的因素，重点研究了开门和关门的影响、样品大小的影响和夹具层数的影响，并对它们进行了数值模拟、实验验证和对比分析，发现吻合比较好。

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1 绪 论

1.1 背景（目的）及意义

1.2 国内外现状

1.3 主要研究内容

1.4 小结

2 影响电子器件可靠性的封装技术及散热性能研究

2.1 电子封装技术

2.2 LED的散热研究

2.3 IGBT的散热研究

2.4 本章小结

3 LED在试验箱中可靠性试验和模拟研究

3.1 可靠性试验

3.2 LED的多因素加速环境试验

3.3 LED的虚拟可靠性

3.4 LED寿命预测

3.5 本章小结

4 特殊环境箱的设计、模拟与测试

4.1 普通环境试验箱

4.2 多功能环境试验箱的设计

4.3 拉伸测试中的加热箱设计、模拟与测试

4.4 拉伸测试中的低温箱设计与测试

4.5 本章小结

5 回流焊接试验与新型回流炉的设计

5.1 回流焊及其设备

5.2 回流焊接试验及其分析

5.3 三种新型回流焊接炉的设计

5.4 本章小结

6 环境试验箱的温度均匀性模拟与实验研究

6.1 温度均匀性概述

6.2 高低温循环箱与温度均匀性

6.3 环境试验箱内数值模拟

6.4 环境试验箱内实验测量

6.5 实验与模拟的比较

6.6 温度均匀性的改善

6.7 本章小结

7 全文总结及工作展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

致谢

参考文献

附录1攻读博士学位期间发表的论文

附录2攻读博士学位期间申请的专利