大面积烧结高性能功率模块封装技术

[导读]传统上，硅功率器件(如IGBT或MOSFET)被焊接到金属陶瓷基板上，使用铝线键合作为互连技术，并使用焊膏或导热硅脂将功率模块连接到底板或冷却器。这种结构如图1(左)所示。

传统上，硅功率器件(如IGBT或MOSFET)被焊接到金属陶瓷基板上，使用铝线键合作为互连技术，并使用焊膏或导热硅脂将功率模块连接到底板或冷却器。这种结构如图1(左)所示。

图 1：硅器件的传统封装(左);SiC 器件的未来高可靠性封装(右)

由于碳化硅宽带隙 ( WBG ) 器件在汽车、新能源和工业应用领域的快速推广，功率模块封装技术必须经历重大变革。二极管或MOSFET等SiC器件可以在更高的温度下工作，提高功率密度，从而对封装材料施加更大的热机械应力。图 1(右)展示了一种先进的封装概念，该概念经过优化，可与 WBG 半导体结合实现最高可靠性和最高效率。

未来的模块将配备 Heraeus Die Top 系统，以便在芯片顶部进行铜 (Cu) 引线键合，并结合银 (Ag) 烧结技术将芯片连接到基板。传统封装中的 Al 2 O 3基金属陶瓷基板必须由高导热性的 Si 3 N 4基活性金属钎焊 (AMB) 基板替代，以提高可靠性和性能(图 1，右)。最后，将模块连接到底板上的焊料材料将被高可靠性和高导热性的银烧结材料取代。这个过程被称为“大面积烧结”，因为完整的模块被烧结到冷却器上。

图 2 显示了使用大面积烧结代替焊接带来的热性能改进，其中模拟了从完全焊接封装概念(左，T max = 193°C)变为完全烧结封装概念(右，T max = 171°C)时芯片温度下降 22°C。热阻的改进允许使用更小、更具成本效益的芯片来实现相同的设备输出功率，或者以相同的总成本在相同的半导体中运行更多的电流。此外，接头在热循环方面的可靠性问题是必须考虑的关键方面之一。

面积超过 300 平方毫米的大面积烧结仍是一项相当年轻的技术，目前使用该技术的模块并不多。然而，由于乘用车的快速电气化和汽车制造商追求最高可靠性，预计需求将不断增加。这一趋势对烧结膏制造商(如 Heraeus)和烧结机供应商(如 AMX Automatrix)提出了新的要求。虽然芯片贴装受芯片尺寸限制，但大面积烧结的面积要大得多——在 >2,500平方毫米的范围内，具体取决于模块尺寸。出现了几种概念，例如将模块湿式和干式放入焊膏中，以及几种焊膏应用方法，例如模板印刷或分配，这些方法都有各自的优点和缺点。因此，必须为每个封装仔细选择合适的焊膏、应用方法和烧结技术。

图 2：ANSYS 对各种封装概念的稳态温度分布的模拟结果。从左到右：模块和芯片焊接、模块焊接和芯片烧结、完全烧结模块。模拟细节：Ploss = 每芯片 202 W，SiC 芯片尺寸 5 × 5 × 0.15 mm 3。

贺利氏大面积烧结糊料变体

针对大面积烧结的趋势， Heraeus开发了两种银压力烧结膏PE360P 和 PE360D，如图 3 所示。本节重点介绍 PE360P 的接头性能;预计分配性能获得的结果相同，并将在其他地方讨论。

PE360P 专为模板印刷或丝网印刷等印刷应用而设计，可确保在印刷机上进行 8 小时以上的加工。PE360P 旨在将 40 × 40 平方毫米至 100 × 100 平方毫米范围内的模制封装或裸基板放置在预干燥的糊状物上。对于这种尺寸，干式贴装工艺是有利的，因为糊状物的干燥过程是在没有用模块或底板覆盖糊状物的情况下完成的，这确保了在实际烧结过程之前溶剂和添加剂的有效蒸发。然而，模块和底板翘曲的影响是干式贴装工艺的一个缺点，需要加以解决。干式贴装和湿式贴装的工艺流程如图 4 所示。

图 5 显示了 PE360P 糊剂性能的一个示例。将具有银表面的 AMB 基板烧结到由铜制成的平面基板上。基板用于烧结时，既有裸露的铜表面，也有镀银表面。烧结在 AMX P101 设备上进行，压力为 20 MPa，温度为 250°C，氮气环境下持续 5 分钟。在烧结前，糊剂已充分干燥。相应的超声波扫描显示，镀铜和镀银基板具有出色的连接性，几乎没有可见的空洞，表明基板和冷却器之间的热连接和机械连接最佳。

图 3：适用于大面积烧结应用的 Heraeus Electronics PE360 焊膏变体

此外，烧结接头的可靠性经过了温度循环测试 (TCT)。为此，将具有 0.3 毫米铜厚度的镀银 AMB 基板烧结到镀银铜芯基板上(P360P 糊剂，230°C 烧结温度，5 分钟烧结时间，12 MPa 压力)。在 1,000 次循环和 2,000 次热冲击循环后，通过超声波扫描检查了分层区域。结果图片如图 6 所示。经过 1,000 次热循环后，使用大面积烧结时几乎看不到分层。只能在测试样品的角落检测到微小缺陷，这可以解决这些位置发生的最高应力水平。分层主要位于连接的底板侧。在 2,000 次 TCT 循环后，只看到微小的变化，证明了烧结接头具有优异的可靠性。