技術 | 大面積燒結的進步提高了功率模塊的性能

文章來源于碳化硅芯觀察 ，作者Sonu Daryanani

以碳化硅（SiC）或氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶半導體可在功率轉換應用中實現(xiàn)更快的開關速度、更低的損耗和更高的功率密度。隨著功率半導體效率的提高，碳化硅模組周圍材料和組件關注度越來越高，因為需要這些產(chǎn)品配套來進一步增加系統(tǒng)性能，并確保WBG芯片能夠充分發(fā)揮其潛力。特別是模組耐溫性能的增加，例如當前需要將SiC模塊的散熱要求到175°C及以上，芯片連接、基板和散熱器的機械和熱性能要求正在不斷提高。

傳統(tǒng)的方法是使用錫焊將芯片連接到支撐基板上，例如直接黏合銅（DBC）和DBC到底板。在本文中，我們將突出一些銀焊合作為錫焊替代品的優(yōu)點。

焊料與燒結

基于錫 (Sn) 和鉛 (Pb) 的焊料是最常見的芯片粘接材料。ROHS 合規(guī)性要求用銀 (Ag) 和銅 (Cu) 替代鉛。焊接過程中，焊料顆粒通常在 200°C – 250°C 范圍內熔化，并潤濕要接觸的表面。

金屬間相是在凝固的冷卻階段形成的。燒結是一種用低于熔點的粉末制造結構的方法。銀燒結1于 1990 年首次推出，現(xiàn)在許多公司提供基于各種銀顆粒配方的芯片粘接解決方案。燒結基于原子擴散，如圖 1(a) 所示，在給定時間內結合使用熱量和壓力來促進向界面的擴散。與焊料不同，沒有相變。

如圖 1(b) 所示，與普通焊料配方相比，銀燒結焊膏的導電性和導熱性以及高溫穩(wěn)定性得到了很大改善。低熱膨脹系數(shù) (CTE) 和良好的拉伸強度使其在熱循環(huán)和功率循環(huán)測試中具有優(yōu)勢。

圖 2 概述了燒結類型。壓力輔助燒結對于 SiC 功率模塊最為常見。隨著燒結顆粒的尺寸從微米級減小到納米級（即< 1μm），燒結溫度和時間可以降低。納米級壓力可以在 5 至 15 MPa 范圍內，溫度從 200°C 至 300°C，時間從 1 至 10 分鐘。

燒結漿料的應用通常通過干法放置的模板印刷來完成。

點膠技術相對較新，濕法放置使得該過程更容易出現(xiàn)錯位。芯片轉移薄膜 (DTF) 是芯片拾放后的流程，首先通過初始加熱和加壓步驟將薄膜轉移到拾取的芯片上，然后將芯片 + 燒結薄膜放置在已拾取的芯片上。最后施加熱量和壓力。

許多團隊使用銀燒結焊料顯著改善了芯片貼裝工藝的溫度循環(huán) (TCT) 和功率循環(huán)壽命。圖 3 顯示了這樣的一個示例。在 DBC 基板上進行的主動溫度循環(huán)測試中，壽命增加了 17。

大面積銀燒結

在最近舉行的PCIM Europe 2023 會議上，Heraeus 產(chǎn)品經(jīng)理 Florian Seifert 和壓力燒結漿料項目負責人 Ulla Hauf 博士介紹了他們關于將銀燒結漿料用于大面積燒結 (LAS) 應用的研究4。

如圖 4 所示，功率模塊組件中的燒結可用于：

·   芯片附著到基板上，例如 DCB/DBC 或活性金屬釬焊 (AMB) 氮化硅。這些通常具有鎳金 (Ni/Au) 表面處理。銀遷移是一個問題，特別是對于高壓燒結而言，需要仔細優(yōu)化糊料和燒結條件以降低這種風險。

·   例如，在芯片頂部進行燒結可以使銅夾或金屬柱取代傳統(tǒng)的鋁線接合。為了實現(xiàn)這一點，可以在芯片上放置金頂部金屬表面處理。銅箔等后取放芯片頂部系統(tǒng) (DTS)可實現(xiàn)重型銅線鍵合，與傳統(tǒng)鋁線相比，可提高熱性能和可靠性能。

·   將基板固定到模塊底板上。由于與裸芯片相比尺寸增加，這帶來了新的挑戰(zhàn)，尺寸范圍可以從15×20 mm 2到>40×40 mm 2。此應用程序可歸類為 LAS。

LAS 面臨的一些具體挑戰(zhàn)包括：

獲得壓力均勻的薄膜：更薄的燒結膜可以提高整體模塊的導熱率。雖然燒結在實現(xiàn)更薄的鍵合層厚度 (BLT) 方面比焊接具有特定優(yōu)勢，但該厚度需要隨著模塊尺寸的增加而增加，例如，從芯片貼裝中使用的正常 <40-50 μm 增加到 >100-50 μm。150 微米。

高度差會使這變得更具挑戰(zhàn)性，因為可能需要更高的壓力，從而增加芯片/散熱器機械完整性的風險。由于基板組件內的封裝材料或焊點所施加的限制，干燥過程的操作窗口可能要小得多。溫度、升溫速率、總時間和氣氛可能都需要優(yōu)化。

燒結漿料本身的化學性質可能需要進行調整，以便在上面設置的操作窗口限制下更好地工作。

成本：Ag壓力輔助燒結工藝成本較高，而熱界面材料（TIM）具有成本優(yōu)勢。燒結和 TIM 的組合有時可以在成本和性能之間提供良好的折衷。

來自 Heraeus 的 LAS 流程如圖 5 所示。

LAS 結果

圖 6 所示的剪切強度測試結果證明了 Ag LAS 流的成功優(yōu)化。與標準芯片貼裝銀燒結漿料相比，LAS 漿料在測試的尺寸范圍內提高了 40% 以上的剪切強度。

如圖 7 所示，在 1000 mm 2基材上循環(huán) 1,500 次后未觀察到 LAS 料分層。

未來展望

電動汽車市場預計將強勁增長，而基于碳化硅的功率模塊將在其中發(fā)揮關鍵作用，例如牽引逆變器應用。與焊料相比，銀燒結在性能和可靠性方面具有多種優(yōu)勢。銅燒結預計將在未來的應用中發(fā)揮更大的作用，與銀相比，其耐熱性、抗遷移性和潛在成本優(yōu)勢得到改善。到 2030 年，LAS 目標市場預計將達到1.7億美金。

參考：

1 H. Schwarzbauer、R. Kuhnert，“提高功率器件性能的新型大面積連接技術”，IEEE 工業(yè)應用匯刊，1991 年。

2 A.Miric、P. Dietrich，“電力電子應用的無機基材”。

3 S. Kraft、A. Schletz、M. Mürz，“電力電子應用中 DBC 和 DBA 基板上銀燒結的可靠性”，CIPS 2012。4 F. Seifert 和 U. Hauf，“用于大面積壓力燒結的優(yōu)化漿料”銀燒結漿”，PCIM 2023。

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