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功率模塊的燒結(jié)技術(shù)

發(fā)布時間:2010-07-22

中心議題:
  • 功率模塊的燒結(jié)技術(shù)簡述
  • 燒結(jié)技術(shù)的應(yīng)用
  • 燒結(jié)技術(shù)的未來

1994年以來,銀燒結(jié)技術(shù)已被用于芯片和基板之間的連接。當(dāng)時,許多國際會議都對銀燒結(jié)鍵合層的性能和在可靠性方面的優(yōu)勢進(jìn)行了分析和報告。然而,當(dāng)時認(rèn)為這種鍵合技術(shù)還不適用于大型工業(yè)電子產(chǎn)品。

這些燒結(jié)芯片/基板間連接完全由特殊的銀粒子制成。這些銀粒子在某種環(huán)境下,產(chǎn)生燒結(jié)架橋形態(tài),在兩個需鍵合組件之間形成一個可靠的連接。圖1顯示了燒結(jié)前后的銀粒子。在這方面,有一點很重要,那就是要知道每個粒子是被特殊涂層材料所包圍。產(chǎn)生鍵合很簡單:只需在兩個需鍵合組件之間,根據(jù)所需粘接層的厚度,放置一定數(shù)量的粒子并施加特定的溫度和壓力,經(jīng)過一段特定時間后,就可以產(chǎn)生穩(wěn)定的燒結(jié)連接。但是,這個基本過程只適用于最初的技術(shù)評估。


圖1.燒結(jié)處理前(左)和處理后(右)的銀擴散層

過去幾年,一直在對燒結(jié)技術(shù)的工業(yè)化進(jìn)行研究。已經(jīng)開發(fā)出的獨立燒結(jié)粘貼層,是如今賽米控所認(rèn)可和實現(xiàn)的燒結(jié)粘貼層的基礎(chǔ)。此外,已經(jīng)開發(fā)生產(chǎn)出燒結(jié)工程工具來制造5“×7“的多芯片DCB。燒結(jié)壓機被設(shè)計用來根據(jù)加工行為處理壓力負(fù)荷。加工過程還在不斷改善。

芯片與基板之間燒結(jié)層的接觸強度非常高。在可靠性測試中,燒結(jié)層顯示出高負(fù)載循環(huán)能力。燒結(jié)技術(shù)更進(jìn)一步的優(yōu)勢是沒有必須被清洗掉的焊接停止層。芯片相對于基板的定位精度達(dá)到50μm。相比之下,采用焊接技術(shù)的定位精度只有400μm,這在后續(xù)的圖像處理過程中會成為相當(dāng)大的負(fù)擔(dān)。


圖2.燒結(jié)芯片與焊接芯片的功率循環(huán)能力對比

如果有人要考慮燒結(jié)層的厚度,燒結(jié)層的厚度比標(biāo)準(zhǔn)焊接層薄4.5倍,導(dǎo)熱系數(shù)大4倍。這使得燒結(jié)連接具有良好的熱性能。燒結(jié)層也表現(xiàn)出遠(yuǎn)高于焊接層的循環(huán)能力。這就得到一個事實,即燒結(jié)連接中所用銀的熔點比今天普遍使用的無鉛焊料要高出4倍(見表1)。燒結(jié)技術(shù)高溫穩(wěn)定性表明連接層沒有老化。


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應(yīng)用中的燒結(jié)技術(shù)

用于22kW-150kW電動及混合動力汽車驅(qū)動變換器的SKiM®IGBT模塊系列采用了燒結(jié)技術(shù)。與采用焊接端子的有基板模塊相比,SKiM®的熱循環(huán)能力提升了4倍。用于隔離的陶瓷底板DCB不是焊接在銅基板上,而是采用壓接技術(shù)與散熱片相連接,所有的熱接觸和電接觸都采用了壓接技術(shù)(見圖3)。直接定位在每個芯片旁的壓力點確保DCB均勻連接。無基板確保了出色的熱循環(huán)能力和低熱阻。圖3顯示了模塊外殼、壓接系統(tǒng)和用于柵極連接的彈簧觸點的剖面圖。


圖3SKiM63的剖面圖

完全沒有焊接,使得SKiM系列成為市場上第一款100%無焊接的模塊。燒結(jié)技術(shù)、壓接技術(shù)以及無基板設(shè)計的結(jié)合,確保了SKiM的熱循環(huán)能力為有基板焊接模塊的5倍。

在過去15年里,芯片的最高允許溫度持續(xù)上升。如今,最先進(jìn)的硅器件,例如IGBT4/CAL4二極管,最高可以在175°C的芯片溫度下運行。今后,碳化硅的使用將在連接層的充足熱循環(huán)能力方面帶來更大的挑戰(zhàn),因為碳化硅組件可以運行在高達(dá)300°C的溫度下。然而,賽米控開發(fā)的燒結(jié)技術(shù)非常適合于這種高溫范圍。這就得到這樣一個事實,即這些連接層的熔點為961°C,比如今普遍使用的焊料連接高出約740°C。燒結(jié)技術(shù)所引以為豪的這種高溫穩(wěn)定性,意味著連接層無老化,這在可靠性測試中得到了驗證。


圖4.采用燒結(jié)芯片的模塊的熔化溫度比運行溫度高6倍

多年來,功率半導(dǎo)體模塊的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化。過去,半導(dǎo)體模塊被用在具有確定冷卻技術(shù)/系統(tǒng)的固定控制柜中,這些控制柜往往易于接近。

與此相反,如今的功率模塊被用于移動應(yīng)用中,例如,冷卻后溫度仍高達(dá)110°C的車輛。如今所面臨的挑戰(zhàn)是如何確保功率半導(dǎo)體器件在這樣的冷卻條件下能夠產(chǎn)生其最大允許電流Icmax。圖4說明了這兩個參數(shù)之間的關(guān)系,以及在不犧牲可靠性的情況下,芯片溫度升高時電流Ic可控。

燒結(jié)技術(shù)的未來

賽米控開發(fā)的燒結(jié)技術(shù)是一項關(guān)鍵技術(shù),它使所生產(chǎn)的組件更強大、更可靠,壽命更長。無底板模塊、壓接系統(tǒng)和燒結(jié)技術(shù),這些用于面向電動和混合動力汽車的SKiM系列模塊的原則也被用于第四代智能功率模塊SKiiP的開發(fā),SKiiP模塊應(yīng)用的領(lǐng)域包括風(fēng)力和太陽能發(fā)電、電梯系統(tǒng)、無軌電車、地鐵和地下交通工具。

燒結(jié)技術(shù)的優(yōu)勢在第四代SKiiP中繼續(xù):得益于鍍銀層,熱循環(huán)能力提升到了5倍、芯片和DBC之間牢不可破的連接,功率循環(huán)能力提升到了2倍。
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