技术 | 大面积烧结的进步提高了功率模块的性能

技术 | 大面积烧结的进步提高了功率模块的性能

文章来源于碳化硅芯观察 ，作者Sonu Daryanani

以碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体可在功率转换应用中实现更快的开关速度、更低的损耗和更高的功率密度。随着功率半导体效率的提高，碳化硅模组周围材料和组件关注度越来越高，因为需要这些产品配套来进一步增加系统性能，并确保WBG芯片能够充分发挥其潜力。特别是模组耐温性能的增加，例如当前需要将SiC模块的散热要求到175°C及以上，芯片连接、基板和散热器的机械和热性能要求正在不断提高。

传统的方法是使用锡焊将芯片连接到支撑基板上，例如直接黏合铜（DBC）和DBC到底板。在本文中，我们将突出一些银焊合作为锡焊替代品的优点。

焊料与烧结

基于锡 (Sn) 和铅 (Pb) 的焊料是最常见的芯片粘接材料。ROHS 合规性要求用银 (Ag) 和铜 (Cu) 替代铅。焊接过程中，焊料颗粒通常在 200°C – 250°C 范围内熔化，并润湿要接触的表面。

金属间相是在凝固的冷却阶段形成的。烧结是一种用低于熔点的粉末制造结构的方法。银烧结1于 1990 年首次推出，现在许多公司提供基于各种银颗粒配方的芯片粘接解决方案。烧结基于原子扩散，如图 1(a) 所示，在给定时间内结合使用热量和压力来促进向界面的扩散。与焊料不同，没有相变。

如图 1(b) 所示，与普通焊料配方相比，银烧结焊膏的导电性和导热性以及高温稳定性得到了很大改善。低热膨胀系数 (CTE) 和良好的拉伸强度使其在热循环和功率循环测试中具有优势。

图 2 概述了烧结类型。压力辅助烧结对于 SiC 功率模块最为常见。随着烧结颗粒的尺寸从微米级减小到纳米级（即< 1μm），烧结温度和时间可以降低。纳米级压力可以在 5 至 15 MPa 范围内，温度从 200°C 至 300°C，时间从 1 至 10 分钟。

烧结浆料的应用通常通过干法放置的模板印刷来完成。

点胶技术相对较新，湿法放置使得该过程更容易出现错位。芯片转移薄膜 (DTF) 是芯片拾放后的流程，首先通过初始加热和加压步骤将薄膜转移到拾取的芯片上，然后将芯片 + 烧结薄膜放置在已拾取的芯片上。最后施加热量和压力。

许多团队使用银烧结焊料显着改善了芯片贴装工艺的温度循环 (TCT) 和功率循环寿命。图 3 显示了这样的一个示例。在 DBC 基板上进行的主动温度循环测试中，寿命增加了 17。

大面积银烧结

在最近举行的PCIM Europe 2023 会议上，Heraeus 产品经理 Florian Seifert 和压力烧结浆料项目负责人 Ulla Hauf 博士介绍了他们关于将银烧结浆料用于大面积烧结 (LAS) 应用的研究4。

如图 4 所示，功率模块组件中的烧结可用于：

·   芯片附着到基板上，例如 DCB/DBC 或活性金属钎焊 (AMB) 氮化硅。这些通常具有镍金 (Ni/Au) 表面处理。银迁移是一个问题，特别是对于高压烧结而言，需要仔细优化糊料和烧结条件以降低这种风险。

·   例如，在芯片顶部进行烧结可以使铜夹或金属柱取代传统的铝线接合。为了实现这一点，可以在芯片上放置金顶部金属表面处理。铜箔等后取放芯片顶部系统 (DTS)可实现重型铜线键合，与传统铝线相比，可提高热性能和可靠性能。

·   将基板固定到模块底板上。由于与裸芯片相比尺寸增加，这带来了新的挑战，尺寸范围可以从15×20 mm 2到>40×40 mm 2。此应用程序可归类为 LAS。

LAS 面临的一些具体挑战包括：

获得压力均匀的薄膜：更薄的烧结膜可以提高整体模块的导热率。虽然烧结在实现更薄的键合层厚度 (BLT) 方面比焊接具有特定优势，但该厚度需要随着模块尺寸的增加而增加，例如，从芯片贴装中使用的正常 <40-50 µm 增加到 >100-50 µm。150 微米。

高度差会使这变得更具挑战性，因为可能需要更高的压力，从而增加芯片/散热器机械完整性的风险。由于基板组件内的封装材料或焊点所施加的限制，干燥过程的操作窗口可能要小得多。温度、升温速率、总时间和气氛可能都需要优化。

烧结浆料本身的化学性质可能需要进行调整，以便在上面设置的操作窗口限制下更好地工作。

成本：Ag压力辅助烧结工艺成本较高，而热界面材料（TIM）具有成本优势。烧结和 TIM 的组合有时可以在成本和性能之间提供良好的折衷。

来自 Heraeus 的 LAS 流程如图 5 所示。

LAS 结果

图 6 所示的剪切强度测试结果证明了 Ag LAS 流的成功优化。与标准芯片贴装银烧结浆料相比，LAS 浆料在测试的尺寸范围内提高了 40% 以上的剪切强度。

如图 7 所示，在 1000 mm 2基材上循环 1,500 次后未观察到 LAS 料分层。

未来展望

电动汽车市场预计将强劲增长，而基于碳化硅的功率模块将在其中发挥关键作用，例如牵引逆变器应用。与焊料相比，银烧结在性能和可靠性方面具有多种优势。铜烧结预计将在未来的应用中发挥更大的作用，与银相比，其耐热性、抗迁移性和潜在成本优势得到改善。到 2030 年，LAS 目标市场预计将达到1.7亿美金。

参考：

1 H. Schwarzbauer、R. Kuhnert，“提高功率器件性能的新型大面积连接技术”，IEEE 工业应用汇刊，1991 年。

2 A.Miric、P. Dietrich，“电力电子应用的无机基材”。

3 S. Kraft、A. Schletz、M. Mürz，“电力电子应用中 DBC 和 DBA 基板上银烧结的可靠性”，CIPS 2012。4 F. Seifert 和 U. Hauf，“用于大面积压力烧结的优化浆料”银烧结浆”，PCIM 2023。

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