銀燒結(jié)-SiC芯片封裝工藝的關(guān)鍵一環(huán)

當(dāng)前功率半導(dǎo)體行業(yè)正在面臨SiC和GaN等寬禁帶半導(dǎo)體強勢崛起，隨著電動汽車市場的增量放大，消費者對汽車的高續(xù)航、超快充等要求越來越高，電力電子模塊的功率密度、工作溫度及可靠性的要求也在越來越復(fù)雜，封裝成了提升可靠性和性能的關(guān)鍵。封裝是承載器件的載體，也是保證SiC芯片可靠性、充分發(fā)揮性能的關(guān)鍵。

碳化硅材料的使用，減小了芯片尺寸，但芯片單位面積的功率仍然相關(guān)，這意味功率模塊需要更多地依賴封裝工藝和散熱材料來提供散熱。而當(dāng)前，傳統(tǒng)的封裝工藝如軟釬焊料焊接工藝已經(jīng)達到了應(yīng)用極限，亟需新的封裝工藝和材料進行替代。
SiC芯片的工作溫度更高，對封裝的要求也非常高，同時對散熱和可靠性的要求也更加嚴(yán)苛，這些都需要相配套的封裝工藝和材料同步跟進。

傳統(tǒng)功率模塊中，芯片通過軟釬焊接到基板上，連接界面一般為兩相或三相合金系統(tǒng)，在溫度變化過程中，連接界面通過形成金屬化合物層讓芯片、軟釬焊料合金及基板之間形成互聯(lián)。目前電子封裝中常用的軟釬焊料為含鉛釬料或無鉛釬料，其熔點基本在300℃以下，采用軟釬焊工藝的功率模塊結(jié)溫一般低于150℃，應(yīng)用于溫度為175-200℃甚至200℃以上的情況時，其連接層性能會急劇退化，影響模塊工作的可靠性。

   為什么采用銀燒結(jié)技術(shù)  
傳統(tǒng)功率模塊中，芯片通過軟釬焊接到基板上，連接界面一般為兩相或三相合金系統(tǒng)，在溫度變化過程中，連接界面通過形成金屬化合物層使芯片、軟釬焊料合金及基板之間形成互聯(lián)。目前電子封裝中常用的軟釬焊料為含鉛釬料或無鉛釬料，其熔點基本在300℃以下，采用軟釬焊工藝的功率模塊結(jié)溫一般低于150℃，應(yīng)用于溫度為175-200℃甚至200℃以上的情況時，其連接層性能會急劇退化，影響模塊工作的可靠性。

在功率器件中，流經(jīng)焊接處的熱量非常高，因此需要更加注意芯片與框架連接處的熱性能及其處理高溫而不降低性能的能力。燒結(jié)銀的熱阻要比焊料低得多，因而使用燒結(jié)銀代替焊料能提高RθJC，而且由于銀的熔點較高，整個設(shè)計的熱裕度也提高了。

7L D2PAK的熱模型，表明了從芯片到殼的不同溫度梯度。(a)使用Pb95.5Ag2.5Sn2.0 焊料進行晶粒貼裝(b)使用140W/m.K銀燒結(jié)進行晶粒貼裝。后者可將熱阻降低28%。
相比之下，燒結(jié)材料通?？梢赃_到200℃-300℃，這讓燒結(jié)技術(shù)成為焊接工藝?yán)硐氲奶娲桨?。此外?strong style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important;">芯片粘接是一個極其復(fù)雜的過程，采用燒結(jié)銀技術(shù)進行芯片粘接，可大大降低總制造成本，加工后無需清洗，還可縮短芯片之間的距離。

銀燒結(jié)的優(yōu)勢總結(jié)：? 納米銀燒結(jié)工藝燒結(jié)體具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、高粘接強度和高穩(wěn)定性等特點，應(yīng)用該工藝燒結(jié)的模塊可長期工作在高溫情況下；? 納米銀燒結(jié)工藝在芯片燒結(jié)層形成可靠的機械連接和電連接，半導(dǎo)體模塊的熱阻和內(nèi)阻均會降低，整體提升模塊性能及可靠性；? 燒結(jié)料為純銀材料，不含鉛，屬于環(huán)境友好型材料。
 國內(nèi)外企業(yè)紛紛布局銀燒結(jié)技術(shù) 

2006年英飛凌推出了Easypack1的封裝形式，分別采用單面銀燒結(jié)技術(shù)和雙面銀燒結(jié)技術(shù)。通過相應(yīng)的高溫循環(huán)測試發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)軟釬焊工藝，采用單面銀燒結(jié)技術(shù)的模塊壽命提高了5-10倍，而采用雙面銀燒結(jié)技術(shù)的模塊壽命提高了10以上。
之后2007年，賽米控推出了SkinTer技術(shù)，芯片和基板之間采用精細銀粉銀燒結(jié)工藝進行連接，在250℃及壓力輔助條件下得到低孔隙率銀層。相比于釬焊層，功率循環(huán)能力提升了2-3倍，燒結(jié)層厚度減少約70%，熱導(dǎo)率約提升3倍。

2012年，英飛凌推出了XT互聯(lián)技術(shù)，芯片和基板之間采用銀燒結(jié)技術(shù)連接。循環(huán)試驗表明，無底板功率模塊壽命提升達2個數(shù)量級，有底板模塊壽命提升也在10倍以上。

2015年，三菱電機采用銀燒結(jié)技術(shù)制作功率模塊，循環(huán)壽命是軟釬焊料的5倍左右。
今年5月，東芝稱新發(fā)布的用于碳化硅（SiC）功率模塊的封裝技術(shù)iXPLV，能夠使產(chǎn)品的可靠性提升一倍，同時減少 20% 的封裝尺寸。

幾個月前，斯達在國內(nèi)會議上也表示，公司T6系列汽車級的單管，1200V和750V，芯片采用的銀燒結(jié)工藝。雙面冷卻的N3和N7系列，今年年底也會有相應(yīng)的碳化硅的版本數(shù)量，結(jié)構(gòu)同樣采用雙面銀燒結(jié)技術(shù)。

  最大阻力  
銀燒結(jié)技術(shù)在國外發(fā)展遇到的主要問題是：銀燒結(jié)技術(shù)所用的納米銀成本遠高于焊膏，銀漿成本隨著銀顆粒尺寸的減小而增加，同時基板銅層的貴金屬鍍層也增加了成本；銀燒結(jié)技術(shù)需要一定的輔助壓力，高輔助壓力易造成芯片的損傷；銀燒結(jié)預(yù)熱、燒結(jié)整個過程長達60分鐘以上，生產(chǎn)效率較低；銀燒結(jié)技術(shù)得到的連接層，其內(nèi)部空洞一般在微米或者亞微米級別，目前尚無有效的檢測方法。

隨著汽車的電子化和EV、HEV的實用化以及SiC/GaN器件的亮相等，車載功率半導(dǎo)體正在走向多樣化。比如，不僅是單體的功率MOSFET，將控制IC（電路）一體化了的IPD（IntelligentPowerDevice）也面世且品種不斷增加。多樣化了的車載功率半導(dǎo)體，尤其是EV和HEV用車載功率半導(dǎo)體的耗電量不斷增加，為了應(yīng)對這個問題，就要求封裝實現(xiàn)（1）低電阻、（2）高散熱、（3）高密度封裝。而燒結(jié)銀工藝正是解決這一難題的關(guān)鍵技術(shù)。

壓力，溫度和時間是燒結(jié)質(zhì)量的主要影響因素，鍍層類型和質(zhì)量，芯片面積大小和燒結(jié)氣氛保護也是需要考慮的重要因素。相信隨著以SiC 為住的寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用場景的擴大時，燒結(jié)銀技術(shù)將得到更為廣泛的應(yīng)用和推廣。
來源：碳化硅芯觀察