大面積燒結(jié)高性能功率模塊封裝技術(shù)

傳統(tǒng)上，硅功率器件(如IGBT或MOSFET)被焊接到金屬陶瓷基板上，使用鋁線鍵合作為互連技術(shù)，并使用焊膏或?qū)峁柚瑢?a href="/tags/功率模塊" target="_blank">功率模塊連接到底板或冷卻器。這種結(jié)構(gòu)如圖1(左)所示。

圖 1：硅器件的傳統(tǒng)封裝(左);SiC 器件的未來高可靠性封裝(右)

由于碳化硅寬帶隙 ( WBG ) 器件在汽車、新能源和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的快速推廣，功率模塊封裝技術(shù)必須經(jīng)歷重大變革。二極管或MOSFET等SiC器件可以在更高的溫度下工作，提高功率密度，從而對(duì)封裝材料施加更大的熱機(jī)械應(yīng)力。圖 1(右)展示了一種先進(jìn)的封裝概念，該概念經(jīng)過優(yōu)化，可與 WBG 半導(dǎo)體結(jié)合實(shí)現(xiàn)最高可靠性和最高效率。

未來的模塊將配備 Heraeus Die Top 系統(tǒng)，以便在芯片頂部進(jìn)行銅 (Cu) 引線鍵合，并結(jié)合銀 (Ag) 燒結(jié)技術(shù)將芯片連接到基板。傳統(tǒng)封裝中的 Al 2 O 3基金屬陶瓷基板必須由高導(dǎo)熱性的 Si 3 N 4基活性金屬釬焊 (AMB) 基板替代，以提高可靠性和性能(圖 1，右)。最后，將模塊連接到底板上的焊料材料將被高可靠性和高導(dǎo)熱性的銀燒結(jié)材料取代。這個(gè)過程被稱為“大面積燒結(jié)”，因?yàn)橥暾哪K被燒結(jié)到冷卻器上。

圖 2 顯示了使用大面積燒結(jié)代替焊接帶來的熱性能改進(jìn)，其中模擬了從完全焊接封裝概念(左，T max = 193°C)變?yōu)橥耆珶Y(jié)封裝概念(右，T max = 171°C)時(shí)芯片溫度下降 22°C。熱阻的改進(jìn)允許使用更小、更具成本效益的芯片來實(shí)現(xiàn)相同的設(shè)備輸出功率，或者以相同的總成本在相同的半導(dǎo)體中運(yùn)行更多的電流。此外，接頭在熱循環(huán)方面的可靠性問題是必須考慮的關(guān)鍵方面之一。

面積超過 300 平方毫米的大面積燒結(jié)仍是一項(xiàng)相當(dāng)年輕的技術(shù)，目前使用該技術(shù)的模塊并不多。然而，由于乘用車的快速電氣化和汽車制造商追求最高可靠性，預(yù)計(jì)需求將不斷增加。這一趨勢(shì)對(duì)燒結(jié)膏制造商(如 Heraeus)和燒結(jié)機(jī)供應(yīng)商(如 AMX Automatrix)提出了新的要求。雖然芯片貼裝受芯片尺寸限制，但大面積燒結(jié)的面積要大得多——在 >2,500平方毫米的范圍內(nèi)，具體取決于模塊尺寸。出現(xiàn)了幾種概念，例如將模塊濕式和干式放入焊膏中，以及幾種焊膏應(yīng)用方法，例如模板印刷或分配，這些方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。因此，必須為每個(gè)封裝仔細(xì)選擇合適的焊膏、應(yīng)用方法和燒結(jié)技術(shù)。

圖 2：ANSYS 對(duì)各種封裝概念的穩(wěn)態(tài)溫度分布的模擬結(jié)果。從左到右：模塊和芯片焊接、模塊焊接和芯片燒結(jié)、完全燒結(jié)模塊。模擬細(xì)節(jié)：Ploss = 每芯片 202 W，SiC 芯片尺寸 5 × 5 × 0.15 mm 3。

賀利氏大面積燒結(jié)糊料變體

針對(duì)大面積燒結(jié)的趨勢(shì)， Heraeus開發(fā)了兩種銀壓力燒結(jié)膏PE360P 和 PE360D，如圖 3 所示。本節(jié)重點(diǎn)介紹 PE360P 的接頭性能;預(yù)計(jì)分配性能獲得的結(jié)果相同，并將在其他地方討論。

PE360P 專為模板印刷或絲網(wǎng)印刷等印刷應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可確保在印刷機(jī)上進(jìn)行 8 小時(shí)以上的加工。PE360P 旨在將 40 × 40 平方毫米至 100 × 100 平方毫米范圍內(nèi)的模制封裝或裸基板放置在預(yù)干燥的糊狀物上。對(duì)于這種尺寸，干式貼裝工藝是有利的，因?yàn)楹隣钗锏母稍镞^程是在沒有用模塊或底板覆蓋糊狀物的情況下完成的，這確保了在實(shí)際燒結(jié)過程之前溶劑和添加劑的有效蒸發(fā)。然而，模塊和底板翹曲的影響是干式貼裝工藝的一個(gè)缺點(diǎn)，需要加以解決。干式貼裝和濕式貼裝的工藝流程如圖 4 所示。

圖 5 顯示了 PE360P 糊劑性能的一個(gè)示例。將具有銀表面的 AMB 基板燒結(jié)到由銅制成的平面基板上?；逵糜跓Y(jié)時(shí)，既有裸露的銅表面，也有鍍銀表面。燒結(jié)在 AMX P101 設(shè)備上進(jìn)行，壓力為 20 MPa，溫度為 250°C，氮?dú)猸h(huán)境下持續(xù) 5 分鐘。在燒結(jié)前，糊劑已充分干燥。相應(yīng)的超聲波掃描顯示，鍍銅和鍍銀基板具有出色的連接性，幾乎沒有可見的空洞，表明基板和冷卻器之間的熱連接和機(jī)械連接最佳。

圖 3：適用于大面積燒結(jié)應(yīng)用的 Heraeus Electronics PE360 焊膏變體

此外，燒結(jié)接頭的可靠性經(jīng)過了溫度循環(huán)測(cè)試 (TCT)。為此，將具有 0.3 毫米銅厚度的鍍銀 AMB 基板燒結(jié)到鍍銀銅芯基板上(P360P 糊劑，230°C 燒結(jié)溫度，5 分鐘燒結(jié)時(shí)間，12 MPa 壓力)。在 1,000 次循環(huán)和 2,000 次熱沖擊循環(huán)后，通過超聲波掃描檢查了分層區(qū)域。結(jié)果圖片如圖 6 所示。經(jīng)過 1,000 次熱循環(huán)后，使用大面積燒結(jié)時(shí)幾乎看不到分層。只能在測(cè)試樣品的角落檢測(cè)到微小缺陷，這可以解決這些位置發(fā)生的最高應(yīng)力水平。分層主要位于連接的底板側(cè)。在 2,000 次 TCT 循環(huán)后，只看到微小的變化，證明了燒結(jié)接頭具有優(yōu)異的可靠性。

圖 4：兩種 PE360 型號(hào)的工藝流程，包括濕式或干式貼裝

圖 5：鍍銀和裸銅底板上 PE360P 燒結(jié) AMB 基板的工藝流程和掃描聲學(xué)顯微鏡圖像

圖 6：熱循環(huán)后 AMB 側(cè)和底板側(cè)的掃描聲學(xué)顯微鏡圖像。每個(gè)基板的面積約為 1,000 mm 2。TCT 條件：–55°C/150°C(20 分鐘停留時(shí)間)。

P201X HS大面積設(shè)備

為了滿足來自汽車行業(yè)和一級(jí)供應(yīng)商的明顯需求，AMX 擴(kuò)大了其現(xiàn)有的設(shè)備組合，特別是針對(duì)定制機(jī)械的加入，以滿足大面積燒結(jié)應(yīng)用的迫切需求。

在此計(jì)劃中，燒結(jié)面積已顯著擴(kuò)大，研發(fā)單元 (X-Sinter P55) 的燒結(jié)面積已達(dá)到 300 × 300 毫米。同時(shí)，量產(chǎn)設(shè)備 (X-Sinter P201X )也經(jīng)過了改進(jìn)，以滿足散熱器壓力燒結(jié)應(yīng)用的需求，最終推出了 X-Sinter P201X HS 型號(hào)。

這些改造的主要目的是優(yōu)化生產(chǎn)批次流程，同時(shí)保持高生產(chǎn)率，VDI 3423 標(biāo)準(zhǔn)超過 99% 就是明證。這些設(shè)備的設(shè)計(jì)旨在無縫集成到完全自動(dòng)化的工作流程場(chǎng)景中。在軟件方面，這些設(shè)備通過與 SecsGem、OPCUA、OPCON 或其他高級(jí) MES 平臺(tái)等通信系統(tǒng)兼容，可適應(yīng)工業(yè) 4.0 網(wǎng)絡(luò)。

此外，通過集成預(yù)熱系統(tǒng)，確保冷卻器中高溫的維持，以及燒結(jié)后的后冷卻板，工藝周期時(shí)間得到了縮短。還提供可選的全氮?dú)夤?，作為防止母線氧化的預(yù)防措施。這種全面的方法凸顯了AMX致力于根據(jù)行業(yè)需求提高技術(shù)能力的承諾。

圖 7：X-Sinter P201X HS

Heraeus 的 PE360 焊膏和 AMX 的設(shè)備展示了大面積燒結(jié)的優(yōu)勢(shì)，包括更高的熱阻和可靠性。兩家公司都為未來的燒結(jié)應(yīng)用需求提供了尖端解決方案。