【導(dǎo)讀】SiC芯片可以高溫工作，與之對應(yīng)的連接材料和封裝材料都需要相應(yīng)的變更。三菱電機(jī)高壓SiC模塊支持175℃工作結(jié)溫，其封裝技術(shù)相對傳統(tǒng)IGBT模塊封裝技術(shù)做了很大改進(jìn)，本文帶你詳細(xì)了解內(nèi)部的封裝技術(shù)。
SiC芯片可以高溫工作，與之對應(yīng)的連接材料和封裝材料都需要相應(yīng)的變更。三菱電機(jī)高壓SiC模塊支持175℃工作結(jié)溫，其封裝技術(shù)相對傳統(tǒng)IGBT模塊封裝技術(shù)做了很大改進(jìn)，本文帶你詳細(xì)了解內(nèi)部的封裝技術(shù)。
為了實(shí)現(xiàn)低碳社會，能夠高效電能變換的電力電子技術(shù)正在擴(kuò)展到消費(fèi)、工業(yè)、電氣化鐵路、汽車、太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等各個(gè)領(lǐng)域。其中，功率模塊在控制電流方面發(fā)揮著重要作用，需要減少運(yùn)行過程中的損耗，減小封裝尺寸，并提高功率密度。近年來備受關(guān)注的SiC（碳化硅）與以往的Si（硅）相比具有高速開關(guān)且低損耗的特點(diǎn)，能夠飛躍性地提高性能，因此被期待為下一代的功率器件。此外，由于SiC能夠高溫工作，因此可以通過減小封裝尺寸來促進(jìn)功率單元的小型化，但為此，需要開發(fā)能夠應(yīng)對高溫工作的封裝材料和結(jié)構(gòu)。
在封裝開發(fā)過程中，我們提高了鍵合材料和灌封材料等各部件的耐熱性，并開發(fā)了對應(yīng)的工藝技術(shù)，特別是提高了對溫度循環(huán)壽命有影響的鍵合部位的可靠性，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量和高可靠性。通過應(yīng)用這些技術(shù)，我們開發(fā)了一種支持芯片工作溫度（Tjop）175℃高溫運(yùn)行的封裝。
圖1顯示了開發(fā)的高溫工作全SiC功率模塊（FMF185/375/750DC-66A）的封裝外觀，圖2顯示了主要結(jié)構(gòu)（示意圖）。作為支持175℃高溫運(yùn)行的封裝結(jié)構(gòu)，在底板上使用耐高溫焊錫來連接耐高溫絕緣基板，在絕緣基板上使用Ag燒結(jié)技術(shù)鍵合芯片。芯片上面的電極和絕緣基板金屬層用Al線連接，與外部電氣連接的電極與絕緣基板金屬層進(jìn)行US鍵合。外殼安裝在底板上，內(nèi)部填充了耐高溫灌封材料。
圖1：適用于高溫工作的封裝外觀
圖2：高溫運(yùn)行封裝截面圖
當(dāng)考慮芯片的高溫運(yùn)行時(shí)，由于傳統(tǒng)焊料在芯片鍵合時(shí)的物理限制，因此需要新的鍵合材料和合適的工藝。本公司開發(fā)了使用Ag粒子燒結(jié)鍵合工藝，實(shí)現(xiàn)了耐高溫、高品質(zhì)化。
Ag燒結(jié)連接工藝進(jìn)行多個(gè)芯片的批量鍵合。因此，在高溫工作封裝中，相對于以往封裝，芯片尺寸縮小，研究了在4×3的芯片排列中高密度化統(tǒng)一鍵合。圖3顯示了通過Ag燒結(jié)進(jìn)行批量鍵合后的SAT（Scanning Acoustic Tomography）圖像，圖4顯示了鍵合截面圖像。從SAT圖像和截面圖像的結(jié)果來看，鍵合處沒有空隙或龜裂等，可以確認(rèn)鍵合狀態(tài)良好。因此，在高溫工作封裝中，通過Ag燒結(jié)實(shí)現(xiàn)了芯片的高密度化和高質(zhì)量的鍵合。
圖3：Ag燒結(jié)批量鍵合后的SAT圖像
圖4：Ag燒結(jié)后的橫截面圖像
過去一直使用AlN（氮化鋁）陶瓷的絕緣基板，此次研究了采用Si3N4（氮化硅）陶瓷的耐高溫絕緣基板作為新材料。為了評價(jià)耐高溫性能，對AlN絕緣基板和Si3N4絕緣基板實(shí)施溫度循環(huán)試驗(yàn)，使溫度變化為-40~175℃（ΔT=215K），對陶瓷部分和基板金屬層的鍵合部裂紋變化進(jìn)行檢測、確認(rèn)。結(jié)果，如圖5所示，AlN絕緣基板的陶瓷部分出現(xiàn)龜裂，而Si3N4絕緣基板在600個(gè)循環(huán)后也未發(fā)生龜裂，實(shí)現(xiàn)了耐高溫、高可靠性。
圖5(a)：溫度循環(huán)測試后的絕緣基板截面圖-AlN基板
圖5(b)：溫度循環(huán)測試后的絕緣基板截面圖-Si3N4基板
連接絕緣基板和底板的焊料必須保持鍵合處無裂紋，以保證對基板的散熱，防止芯片過熱。因此，我們研究選擇了耐久性、耐熱性的RoHS焊錫材料。對于耐高溫焊料，在表1所示的混合元素基礎(chǔ)上添加了多種元素，以提高鍵合壽命，使其符合絕緣基板和底板的機(jī)械物理性能。使用選定的焊料，將Si3N4絕緣基板和底板連接起來，并進(jìn)行了溫度循環(huán)試驗(yàn)，其中溫度變化為-40~175℃（ΔT=215K）。結(jié)果，即使在600次循環(huán)后，也沒有觀察到鍵合處出現(xiàn)裂紋，并驗(yàn)證了它可以作為耐高溫焊料使用（圖6）。
表1：耐高溫焊錫材料的主要混合元素和效果
圖6：溫度循環(huán)測試后的焊接層截面圖
傳統(tǒng)用于電氣連接到外部的電極是使用焊料鍵合到絕緣基板金屬層。然而，隨著功率密度的增加，由于電極電阻成分引起的發(fā)熱和電極與基板金屬的鍵合部分溫度上升成為問題，因此需要提高高溫循環(huán)下的鍵合壽命。因此，我們利用US（超聲波）焊接技術(shù)將電極與基板金屬直接鍵合在一起，并通過去除焊料提高了鍵合強(qiáng)度，從而在高溫循環(huán)中提高了電極與絕緣基板的鍵合壽命。
為了實(shí)現(xiàn)功率模塊的更高工作溫度，我們不斷開發(fā)器件封裝技術(shù)。表2顯示了從傳統(tǒng)封裝到高溫運(yùn)行封裝的技術(shù)。除了引進(jìn)Ag燒結(jié)鍵合、耐高溫絕緣基板、耐高溫焊錫材料、電極US鍵合相關(guān)技術(shù)外，為支持高溫運(yùn)行功率模塊的商業(yè)化，創(chuàng)新的封裝設(shè)計(jì)、材料及制造工藝的開發(fā)是至關(guān)重要的。
表2：傳統(tǒng)封裝與高溫運(yùn)行封裝的區(qū)別
今后，本公司將以多年積累的功率模塊封裝技術(shù)及量產(chǎn)技術(shù)為基礎(chǔ)，加速開發(fā)新一代高溫運(yùn)行且高品質(zhì)的功率模塊，同時(shí)繼續(xù)推進(jìn)商業(yè)化，為實(shí)現(xiàn)環(huán)保及節(jié)能社會做出貢獻(xiàn)。
文章來源：三菱電機(jī)半導(dǎo)體
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