轉(zhuǎn)自：電子與封裝

作者：王美玉¹，胡偉波¹，孫曉冬²，汪青³，于洪宇³

地址：1. 南開(kāi)大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院，天津  300350；2. 中科芯集成電路有限公司，江蘇  無(wú)錫  214072；3 南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院，深圳  518055

摘要：傳統(tǒng)功率電子封裝主要以釬料連接和引線鍵合等二維平面封裝技術(shù)為主，無(wú)法滿足第三代半導(dǎo)體器件在高頻、高壓、高溫下的可靠應(yīng)用。為了解決這一問(wèn)題，二維平面封裝逐漸向三維集成封裝發(fā)展。對(duì)功率電子封裝技術(shù)中的關(guān)鍵材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)和展望。連接材料從錫基釬料逐漸發(fā)展為金基釬料、瞬態(tài)液相連接材料、燒結(jié)銀等高導(dǎo)熱、耐高溫材料，連接技術(shù)從引線鍵合逐漸發(fā)展為雙面冷卻、器件集成和垂直疊層互連等。通過(guò)去除引線提高開(kāi)關(guān)性能，集成多種芯片和器件提高功率密度，雙面冷卻提高散熱效率。三維集成封裝具有巨大的市場(chǎng)潛力，將成為未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。

關(guān)鍵詞：功率電子封裝；封裝材料；封裝結(jié)構(gòu)；三維封裝；燒結(jié)銀；硅通孔

基金項(xiàng)目：深圳科創(chuàng)委項(xiàng)目（JCYJ20180508161601937） 

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封裝結(jié)構(gòu)

根據(jù)芯片組裝方式和互連工藝的不同，功率電子封裝結(jié)構(gòu)可分為焊接式封裝和壓接式封裝兩種形式。封裝結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)如圖4所示，其中焊接式封裝可以采用引線鍵合、倒裝芯片（BGA互連）、金屬柱互連、凹陷陣列互連、沉積金屬膜互連等結(jié)構(gòu)。壓接式封裝是借助外界機(jī)械壓力形成互連結(jié)構(gòu)。為了便于對(duì)比分析，將上述幾種封裝方式的優(yōu)缺點(diǎn)列于表6^[18]。引線鍵合具有技術(shù)成熟、成本低、布線靈活等優(yōu)點(diǎn)。然而，引線鍵合的模塊具有較高的寄生電感，只能從底板單面散熱^[18]。并且，由于鍵合引線和芯片的CTE不匹配，產(chǎn)生較大的熱-機(jī)械應(yīng)力，使得焊點(diǎn)易疲勞失效，成為模塊在功率循環(huán)過(guò)程中最主要的失效形式。

圖4  封裝結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)^[5]

表6  封裝結(jié)構(gòu)對(duì)比^[18]

目前功率電子封裝結(jié)構(gòu)逐漸從傳統(tǒng)的引線鍵合標(biāo)準(zhǔn)封裝結(jié)構(gòu)向二次注塑（Overmold）、雙面連接（Double-Side Bonding）、器件集成（Component Integration）、三維功率集成封裝結(jié)構(gòu)（3D Power Integration）發(fā)展。通過(guò)去除引線，可以降低電磁干擾、提高散熱效率、增大集成度。其中，注塑結(jié)構(gòu)為緊湊型平面封裝，易于批量模塊生產(chǎn)；雙面連接結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)雙面散熱，提高散熱效率；器件集成結(jié)構(gòu)可以將多種功能集成在模塊內(nèi)部，提高開(kāi)關(guān)速度；三維功率集成結(jié)構(gòu)是將芯片在垂直方向上堆疊連接，可大幅降低寄生電感，提升開(kāi)關(guān)性能^[5]。相比于二維封裝，三維封裝具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，如可以在垂直方向上大大縮短回路距離，降低寄生電感和電磁干擾，提高傳輸速度，提高開(kāi)關(guān)性能，降低功率損耗；可以集成多種芯片和器件，如門極驅(qū)動(dòng)電路、去耦電容、散熱器等，進(jìn)一步提高功率集成密度，縮小封裝體積。但是，三維封裝目前也面臨一些挑戰(zhàn)，如芯片疊層互連帶來(lái)的熱管理、生產(chǎn)工藝和良率等問(wèn)題，制程工藝有待進(jìn)一步完善^[6,19]。

3.1  二次注塑封裝

二次注塑封裝結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)引線鍵合的封裝結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將芯片直接粘接在引線框架上，去除了鍵合引線，并用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行注塑封裝的結(jié)構(gòu)。與引線鍵合的封裝結(jié)構(gòu)相比，注塑封裝的芯片頂部連接面積增大，使得散熱效率提高；寄生電感降低，使得功率損耗降低，并且非常利于模塊化批量生產(chǎn)，在電動(dòng)汽車的整流器中得到廣泛應(yīng)用。

3.2  雙面連接封裝

雙面連接結(jié)構(gòu)是將芯片分別與上、下基板連接，例如西門康公司提出的SKiN功率模塊^[20]、富士電機(jī)提出的銅針互連SiC功率模塊^[21]等，可以達(dá)到去除鍵合引線的目的。雙面連接封裝結(jié)構(gòu)主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）消除發(fā)射極表面的引線鍵合，有效降低寄生電感，減小電壓過(guò)沖和功率損耗，提高開(kāi)關(guān)性能；（2）實(shí)現(xiàn)芯片上下兩個(gè)方向散熱，提高散熱效率，有效降低芯片結(jié)溫，從而減緩失效。美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出了一種雙面連接DBC基板封裝的Si IGBT或SiC MOSFET功率模塊，相比于傳統(tǒng)的引線鍵合模塊，其電感降低62%，開(kāi)關(guān)損耗降低50%~90%，散熱效率提高40%~50%^[22]。

但雙面連接結(jié)構(gòu)也有一些缺點(diǎn)。第一，相比于引線鍵合模塊，雙面連接結(jié)構(gòu)具有更多層材料，加大了封裝工藝的復(fù)雜性。第二，各層材料的CTE不同，熱失配會(huì)產(chǎn)生更大的熱-機(jī)械應(yīng)力，降低了連接層可靠性。為了降低熱-機(jī)械應(yīng)力，一些與芯片CTE匹配的金屬，如Mo或Cu/Mo/Cu^[23]等被用作中介層材料。第三，在實(shí)現(xiàn)不同厚度的多芯片雙面連接的功率模塊時(shí)，如圖5所示，需要可以在芯片和DBC基板之間電鍍或連接不同高度的微型金屬柱（Micro-Metal Post）或銅頂針（Cu Pin）等，解決多芯片厚度不同帶來(lái)的高度差異問(wèn)題^[6]。第四，錫基釬料是模塊封裝中最常用的互連材料，在雙面連接模塊封裝過(guò)程中，通常需要多個(gè)連接步驟，這就需要一組具有不同熔點(diǎn)的釬料，限制了模塊的服役溫度。因此在雙面連接封裝結(jié)構(gòu)中，具有高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電和高熔點(diǎn)的燒結(jié)銀焊膏成為了互連材料的優(yōu)先選擇。

圖5  雙面連接封裝結(jié)構(gòu)^[6]

3.3  器件集成封裝

器件集成封裝是在模塊里集成多種功能的器件，例如集成門極驅(qū)動(dòng)電路、去耦電容、溫度傳感器、電流傳感器和保護(hù)電路等^[18]。器件集成封裝具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如通過(guò)集成門極驅(qū)動(dòng)電路和去耦電容，可以降低母排或模塊外部接插件的寄生電感，縮短功率器件和門極驅(qū)動(dòng)之間的連接，降低門極回路電感，實(shí)現(xiàn)抑制電磁干擾，提高均流性能和開(kāi)關(guān)速度。但是該封裝結(jié)構(gòu)也存在一定的局限性，例如，集成的門極驅(qū)動(dòng)電路一般比較簡(jiǎn)單，模塊的整體尺寸、載流能力和開(kāi)關(guān)頻率受各集成器件的限制。此外，在器件集成封裝之前，需要檢驗(yàn)各器件的耐溫性能，避免因?yàn)槠骷删嚯x太近，影響溫度敏感器件的正常工作^[5]。

3.4   三維功率集成封裝

三維集成封裝結(jié)構(gòu)形式如圖6所示，三維封裝結(jié)構(gòu)主要分為疊層型三維封裝和埋置型三維封裝^[24]，是在二維封裝的基礎(chǔ)上，采用引線鍵合、倒裝芯片、微凸點(diǎn)、球珊陣列（Ball Grid Array，BGA）、硅通孔（Through Silicon Via，TSV）、PCB埋置等工藝技術(shù)，在垂直方向上實(shí)現(xiàn)多芯片的疊層互連^[25-27]。

（a）疊層型封裝：引線鍵合

（b）疊層型封裝：BGA焊球連接

（c）疊層型封裝：硅通孔連接

（d）疊層型封裝：芯片堆疊連接

（e）疊層型封裝：氣相沉積晶圓連接

（f）埋置型封裝：PCB埋置式連接

圖6  三維集成封裝結(jié)構(gòu)形式示意圖^[6,29-31]

在疊層型三維封裝中，硅通孔是最受關(guān)注的技術(shù)之一，是利用穿透襯底的硅通孔的垂直互連，實(shí)現(xiàn)不同芯片之間的電氣互連^[28]。硅通孔封裝關(guān)鍵技術(shù)包括硅通孔成形、填充、芯片減薄和互連等。具體步驟為：首先通過(guò)激光打孔、干法刻蝕或濕法刻蝕形成通孔，然后采用化學(xué)氣相沉積等方法填充SiO₂絕緣層和銅導(dǎo)電層，其次通過(guò)磨削加工減薄芯片，最后通過(guò)金屬間鍵合或粘接等方法實(shí)現(xiàn)芯片互連^[29]。與傳統(tǒng)平面二維引線互連結(jié)構(gòu)相比，硅通孔三維結(jié)構(gòu)具有尺寸小、重量輕、硅片使用效率高、縮短信號(hào)延遲同時(shí)降低功耗等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于三維晶圓級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和集成電路封裝中。但它也存在一定的局限性，第一是可靠性，硅通孔封裝結(jié)構(gòu)的功率密度高，疊層芯片的熱管理問(wèn)題較大；第二是成本高，封裝結(jié)構(gòu)、工藝和測(cè)試復(fù)雜。

埋置型三維封裝，是采用銅線和微孔代替鍵合引線，將芯片嵌入在PCB層壓板中，可以縮小體積、提高可靠性，并且易于系統(tǒng)集成^[30]。此結(jié)構(gòu)面臨最大的挑戰(zhàn)是熱-機(jī)械性能較差，受限于傳統(tǒng)PCB材料的低玻璃轉(zhuǎn)化溫度和高CTE帶來(lái)的熱-機(jī)械應(yīng)力，其服役溫度較低^[18]。此外，FR4-PCB層壓板的剝離強(qiáng)度較低，約為0.9~1.25 N/mm，相比于DBC基板，PCB板嵌入式封裝的模塊可以承受的額定功率較低^[3]。

除了上述焊接式連接之外，還可以通過(guò)壓接形成三維封裝，典型案例如圖7所示，為西碼（Westcode）IGBT壓接模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖^[32]，各組件由外部施加的機(jī)械壓力取代引線、釬焊或燒結(jié)形成物理連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、可靠性高，在高壓大電流電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用。但是在壓接模塊中，對(duì)模塊的內(nèi)部尺寸、各組件的平整度和表面質(zhì)量要求高，接頭的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能受壓力大小和均勻性的影響很大，需要選擇合適的合模壓力來(lái)保證較小的接觸電阻和接觸熱阻，但會(huì)不可避免地受到表面粗糙度和結(jié)構(gòu)變形的影響。在壓接結(jié)構(gòu)中常引入CTE較小的彈性緩沖結(jié)構(gòu)和材料，如Mo或Be墊片、彈簧片等，來(lái)均勻壓力、降低熱-機(jī)械應(yīng)力，提高可靠性。

（a）示意圖

（b）實(shí)物圖

圖7  西瑪?shù)?/span>IGBT壓接模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)^[6,32]

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結(jié)束語(yǔ)

功率電子封裝的關(guān)鍵材料、連接技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，逐漸向去除引線、提高散熱性能、提高集成密度等方向發(fā)展，來(lái)滿足高溫、高壓、高頻環(huán)境的可靠應(yīng)用。隨著第三代半導(dǎo)體器件的推廣應(yīng)用，燒結(jié)銀焊膏連接材料、硅通孔技術(shù)、三維集成封裝結(jié)構(gòu)等是未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)，相信其應(yīng)用前景無(wú)限廣闊。

參考文獻(xiàn)：（略）

作者簡(jiǎn)介：

王美玉（1990—），女，山東菏澤人，博士，副研究員，研究方向?yàn)樾酒庋b結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵材料、工藝技術(shù)及可靠性；

胡偉波（1982—），男，安徽黃山人，博士，教授，研究方向?yàn)榛旌闲盘?hào)電路設(shè)計(jì)，第三代半導(dǎo)體、雷達(dá)小型化。

DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2021.1005

中文引用格式：王美玉，胡偉波，孫曉冬，等. 功率電子封裝關(guān)鍵材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展[J]. 電子與封裝, 2021, 21(10):100109.

英文引用格式：WANG Meiyu, HU Weibo, SUN Xiaodong, et al. Research progress on key materials and structure design of power electronics packaging materials[J].Electronics & Packaging, 2021, 21(10):100109.

免責(zé)申明：本文內(nèi)容轉(zhuǎn)自：電子與封裝，作者：王美玉1，胡偉波1，孫曉冬2，汪青3，于洪宇3。文字、素材、圖片版權(quán)等內(nèi)容屬于原作者，本站轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅供大家分享學(xué)習(xí)。如果侵害了原著作人的合法權(quán)益，請(qǐng)及時(shí)與我們聯(lián)系，我們會(huì)安排刪除相關(guān)內(nèi)容。本文內(nèi)容為原作者觀點(diǎn)，并不代表我們贊同其觀點(diǎn)和（或）對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。

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