銀燒結-SiC芯片封裝工藝的關鍵一環(huán)

當前功率半導體行業(yè)正在面臨SiC和GaN等寬禁帶半導體強勢崛起，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雜，封裝成了提升可靠性和性能的關鍵。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，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。而當前，傳統(tǒng)的封裝工藝如軟釬焊料焊接工藝已經達到了應用極限，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。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溫一般低于150℃，應用于溫度為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。

   為什么采用銀燒結技術  
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。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溫一般低于150℃，應用于溫度為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。燒結銀的熱阻要比焊料低得多，因而使用燒結銀代替焊料能提高RθJC，而且由于銀的熔點較高，整個設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銀燒結進行晶粒貼裝。后者可將熱阻降低28%。
相比之下，燒結材料通?？梢赃_到200℃-300℃，這讓燒結技術成為焊接工藝理想的替代方案。此外，芯片粘接是一個極其復雜的過程，采用燒結銀技術進行芯片粘接，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。

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

2006年英飛凌推出了Easypack1的封裝形式，分別采用單面銀燒結技術和雙面銀燒結技術。通過相應的高溫循環(huán)測試發(fā)現，相比于傳統(tǒng)軟釬焊工藝，采用單面銀燒結技術的模塊壽命提高了5-10倍，而采用雙面銀燒結技術的模塊壽命提高了10以上。
之后2007年，賽米控推出了SkinTer技術，芯片和基板之間采用精細銀粉銀燒結工藝進行連接，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，燒結層厚度減少約70%，熱導率約提升3倍。

2012年，英飛凌推出了XT互聯技術，芯片和基板之間采用銀燒結技術連接。循環(huán)試驗表明，無底板功率模塊壽命提升達2個數量級，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技術制作功率模塊，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iXPLV，能夠使產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，芯片采用的銀燒結工藝。雙面冷卻的N3和N7系列，今年年底也會有相應的碳化硅的版本數量，結構同樣采用雙面銀燒結技術。

  最大阻力  
銀燒結技術在國外發(fā)展遇到的主要問題是：銀燒結技術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；銀燒結技術需要一定的輔助壓力，高輔助壓力易造成芯片的損傷；銀燒結預熱、燒結整個過程長達60分鐘以上，生產效率較低；銀燒結技術得到的連接層，其內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體，尤其是EV和HEV用車載功率半導體的耗電量不斷增加，為了應對這個問題，就要求封裝實現（1）低電阻、（2）高散熱、（3）高密度封裝。而燒結銀工藝正是解決這一難題的關鍵技術。

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