針對要求最嚴(yán)苛的功率開關(guān)應(yīng)用的功率分立元件和模塊的封裝趨勢，從而引入改進(jìn)的半導(dǎo)體器件。即碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬帶隙類型，將顯著提高功率開關(guān)應(yīng)用的性能，尤其是汽車牽引逆變器等應(yīng)用中。
在需要低損耗、高頻開關(guān)或高溫環(huán)境的功率應(yīng)用中，碳化硅陶瓷基板功率半導(dǎo)體技術(shù)與傳統(tǒng)硅基器件相比具有顯著優(yōu)勢。例如，Sic的介電強度電壓大約是硅的10倍，低損耗對性能比至關(guān)重要，而SiC技術(shù)可將功率損耗降低多達(dá)五分之一。

這些技術(shù)的一些優(yōu)勢已經(jīng)得到證明和部署，特別是碳化硅在獨立充電站應(yīng)用（高壓），以及最近在牽引逆變器組件（高溫、高開關(guān)頻率）中的應(yīng)用，成為真正在汽車電氣化領(lǐng)域。憑借大幅提高性能的潛力，該行業(yè)仍然要面臨挑戰(zhàn)，可以部署哪些新的封裝創(chuàng)新來實現(xiàn)這些有前途的半導(dǎo)體器件的全部性能優(yōu)勢？
在改進(jìn)功率模塊封裝設(shè)計的第一步，甚至在碳化硅出現(xiàn)之前就涉及在陶瓷基板上使用直接鍵合銅，例如氧化鋁和氮化鋁以取代用純銅制成的基板。這些陶瓷基板表現(xiàn)出顯著較低的熱膨脹系數(shù)（CTE）特性，同時仍提供合理的導(dǎo)熱性。

如圖1a和1b所示，可以通過調(diào)整銅的厚度相對于內(nèi)核氧化鋁的厚度來修改CTE。例如達(dá)到7-9ppm/攝氏度，這為安裝提供了更好的匹配低CTE半導(dǎo)體模具。通過這樣做總的CTE失配（芯片與基板）現(xiàn)在為3-7ppm，而不是安裝到銅引線框架的半導(dǎo)體芯片的情況下的13-15ppm，直接鍵合銅DBC陶瓷基板在當(dāng)今的多芯片電源模塊系統(tǒng)中非常普遍，但也有選擇性地使用銅引線框，尤其是單芯片器件。

另一個最近的發(fā)展是使用銅作為陶瓷上的金屬化，與銅金屬化相比，它們的熱循環(huán)性能有所提高。如圖2所示，陶瓷基板頂部金屬化被蝕刻以形成物理電路，該電路可以接受芯片連接，然后是頂部引線鍵合。而基板表面處理也很常見，它可以在通常包括回流焊的芯片貼裝工藝之前提供強大的表面保護(hù)，典型的焊料包括使用高鉛用于芯片連接，以及用于基板底部連接到模塊散熱器的較低熔點焊料。

以類似的方式，單管芯片或雙管芯片封裝（例如IGBT二極管）對使用重型銅引線框和用于電源連接和控制的頂部焊線。如圖3所示，鉛焊線可以用銅夾代替，以改善芯片冷卻。這種配置還提供改進(jìn)的熱循環(huán)性能。與單芯片封裝一樣，用更穩(wěn)健的頂部連接取代鋁焊線的模塊實現(xiàn)了額外的芯片冷卻、更大的電流密度和改進(jìn)的功率循環(huán)。15多年前就提出了IGBT二極管模塊的雙面冷卻，并已在混合動力電動汽車使用的許多汽車牽引逆變器組件中得到部署。

在基于DBC氧化鋁和氮化鋁的模塊中，頂部連接也使用相同的材料實現(xiàn)。根據(jù)頂側(cè)芯片接觸面積，典型的實施可以使模塊的熱阻降低30%。雙面冷卻模塊可能需要能夠為非功率導(dǎo)向焊線提供間隙的功能，例如小型柵極和電流感應(yīng)焊盤。在這些情況下，當(dāng)需要確保在較高電壓應(yīng)用中基板之間的氣隙最小時會使用間隔物。墊片可以由導(dǎo)熱和導(dǎo)電材料制成例如銅，但由于傳統(tǒng)硅的芯片尺寸可能非常大12mm x 12mm當(dāng)使用僅與相對較薄的銅和管芯表面之間的焊接粘合層。在這里間隔件的可行替代解決方案包括復(fù)合材料，例如銅-鉬和層壓板，例如銅-殷鋼-銅或銅-鉬-銅。
為確保足夠的功率循環(huán)性能和焊接連接的壽命，電流負(fù)載分布在多個管芯上，從而降低每個管芯的電流密度。雖然這種方式需要更多設(shè)備來實現(xiàn)給定功能，但需要降額以確保穩(wěn)健的安裝產(chǎn)品壽命。

隨著行業(yè)向碳化硅等寬帶隙器件過渡，這些器件的封裝將成為影響新模塊可靠性、性能和成本的關(guān)鍵因素。SiC在較高的工作溫度下效率更高，理想的封裝設(shè)計應(yīng)支持這一事實，以提高芯片效率。與硅和SiC一起部署的最有前途的附著材料之一是燒結(jié)銀。 如圖1所示，銀是一種近乎理想的附件材料，但其熔點使其無法用作回流金屬。盡管如此，它具有非常高的導(dǎo)熱性，并表現(xiàn)出極具吸引力的低電阻率。所有這些特性都優(yōu)于焊接，包括功率循環(huán)能力，這將在后面討論。
隨著不同類型的燒結(jié)銀大批量生產(chǎn)應(yīng)用的增加，材料類型也在增加。雖然最初的燒結(jié)銀應(yīng)用依賴于銀納米漿料，但薄膜和預(yù)成型件已成為可行的產(chǎn)品類型，從而實現(xiàn)了新的制造工藝。晶圓級層壓現(xiàn)在可以用納米銀膜實現(xiàn)。一旦晶圓被層壓，就可以使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備對晶圓進(jìn)行切割。還開發(fā)了一種替代工藝，可以層壓晶圓上的單個芯片，然后立即將它們燒結(jié)在目標(biāo)基板上。這被稱為模具轉(zhuǎn)移膜工藝。優(yōu)點是只層壓和燒結(jié)已知好的芯片與SiC一起使用時可以提供顯著的優(yōu)勢。
【文章來源：展至科技】

審核編輯 黃昊宇