電力電子焊接技術(shù)研究
1引言
功率模塊焊接和連接的最新技術(shù)水平是空白的使用一一半導(dǎo)體底面與頂層基材和鋁(A)粗線互連的無鉛焊接工藝。由于設(shè)計靈活性大、實現(xiàn)自動化的程序簡單,鋁線綁定現(xiàn)在己成為頂層互連的首選。遺憾的是,由于眾所周知的生命周期局限的原因,鋁粗線焊接成了眾多設(shè)計的瓶頸。過去,利用燒結(jié)帶或編織帶提出了一些關(guān)于芯片頂層觸點的解決方案對于1C或存儲產(chǎn)品而言,作為粗金(Au)線的替代品,銅(Cu)線綁定具有較高的適配率。還強烈希望采用較大直徑的電線作為鋁線的替代品,并提出了此課題的有關(guān)事項PM。
銅線綁定保持了當前鋁線綁定法的設(shè)計靈活性和工藝靈活性,但是粗銅線要求頂層金屬化整體更加牢固,以防止功率半導(dǎo)體在粘合焊盤的作用下出現(xiàn)芯片裂紋和結(jié)構(gòu)損壞。很多功率半導(dǎo)體制造廠正在著手解決這一問題。本文提出的連接方法的主要優(yōu)勢之一是這種方法可使用粗銅線綁定,無需改變半導(dǎo)體頂層金屬化。因此,半導(dǎo)體制造廠可依靠現(xiàn)有的工藝技術(shù)和既定的金屬化,在前端和后端/封裝材料之間留出分隔線。于是,高可靠性功率模塊完全有可能實現(xiàn)較快的上市時間。銀燒結(jié)是一種成熟的功率半導(dǎo)體焊接和連接技術(shù),||J靠性很高,要求使用常見的金屬化表面。例如NiAu、Pd或Ag,這些表面都很常用,大多數(shù)制造廠有售。
2綁定和焊接技術(shù)
2.1低壓燒結(jié)。低壓燒結(jié)接受用于生產(chǎn)整流器功率模塊,采用這種技術(shù),功率模塊質(zhì)量更好,熱工特性、機械特性和電氣特性優(yōu)良。燒結(jié)時需要在焊接件之間涂銀膏。燒結(jié)過程中,施加壓力產(chǎn)生一層密實的銀層,連接可靠。燒結(jié)過程中,當銀膏中的銀顆粒和有機物促使擴散力增加時,可減小施加的壓力。據(jù)報道,當前的燒結(jié)工藝可在40MPa以下的壓力水平完成|6im。減小壓力可生產(chǎn)不同規(guī)格的模塊,從而增加設(shè)計靈活性,便于利用批量生產(chǎn)技術(shù)。
2.2粗銅線綁定。銅線綁定是電力電子產(chǎn)品總成的大電流互連最看好的技術(shù)之一。與鋁線綁定相比,銅線綁定布局靈活性高、質(zhì)量過程成熟,正因為這兩條原因,加快了銅線綁定的研發(fā)。與鋁材相比,電線粘合互連采用銅質(zhì)材料,有兩大好處:
(1)電流能力增加37%:
(2)銅的熱傳導(dǎo)率好(比鋁的熱傳導(dǎo)率高達80%)。
2.3丹佛斯粘合緩沖板技術(shù)(DBB)。丹佛斯粘合緩沖板技術(shù)(DBB)由燒結(jié)在金屬半導(dǎo)體頂層金屬化表面上的薄銅箔組成,如圖1所示。此外,替換半導(dǎo)體底面接口與DBC基體的凸點瓦連時,也可采用相同的燒結(jié)技術(shù)。圖1燒結(jié)DBB銀和銅線綁定熱堆棧的橫截面設(shè)計DBB吋,其尺寸要保證熱機械優(yōu)化,以減小由于CTE不匹配而引起的機械應(yīng)力。除了銅線綁定期間可吸收能量和保護晶片的特性外,DBB還具有很多熱特性和電氣特性優(yōu)勢。采用DBB后,半導(dǎo)體內(nèi)出現(xiàn)均勻的電流密度分配。由于豎向電流流動得到改善,無需在半導(dǎo)體上采用針腳式粘合。此部分將進一步介紹標準整流器模塊和第2部分所述方法制成的相同模塊之間的直接比較結(jié)果。
3結(jié)果
3.1熱模擬。為了證明新封裝技術(shù)的性能,我們使用熱模擬軟件FlowEFD,對不同的設(shè)計方案進行了研宄。為了便于對結(jié)果進行比較,所有方案都采用相同的條件。圖2顯示的是FEM模擬的邊界條件。圖2第一糢擬部分和第二糢擬部分的邊界條件DBB的附加熱能力對Zth曲線有積極影響,W為它能儲存短熱能脈沖。圖3所示的是不同變型(VI?V5)不同時間(l〇ms、100ms、1000ms)的熱阻抗。在燒結(jié)的DBB變型(V5)中,10ms的Zth比標準焊機技術(shù)(VI)低大于22%。另外,DBB的熱能力對Rth沒有負面影響,因為它未在熱源(晶片)和熱沉之間的傳熱路徑上。
3.2可靠性。從以前的標準焊接模塊、燒結(jié)模塊和編織帶模塊試驗中得出比較數(shù)據(jù)W。功申循環(huán)結(jié)果如閣4所示。丹佛斯標準整流器模塊約有40000個循環(huán),而采川鋁線的燒結(jié)模塊約有70000個循環(huán)。DBB模塊至少有600000個循環(huán),比丹佛斯標準模塊好約15倍,比行業(yè)標準好約60倍mi。
4結(jié)論
引入丹佛斯焊接緩沖板(DBB)技術(shù),可采用粗銅線綁定,完全與可靠性高的銀燒結(jié)工藝兼容。結(jié)果是功率模塊整體十分牢固,耐久性是同類標準模塊的至少15倍,是行業(yè)標準的60倍。使用丹佛斯焊接緩沖板,半導(dǎo)體采用粗銅線綁定后,現(xiàn)在可制作出新一代功率模塊,其主要益處如下:
(1)芯片上可綁定粗銅線。
(2)增加Zth的附加熱能力,而不增加Rth。
(3)銅線采用特別的冷卻方式,生命周期更長或電流密度更大。
(4)硅片和DBC基體之間采用燒結(jié)技術(shù),可延長使用壽命。
(5)適用于所有常見的芯片頂層金屬化。采用新技術(shù),還可縮短上市時間,最大好處是對現(xiàn)有已成熟并值得信賴的制造方式的影響很小。
5前景展望
下一步研發(fā)工作是在相同的粘合緩沖板上,使用一個門區(qū)域(Gate Pad Area)和一個發(fā)射區(qū)域(如果是IGBT),在晶體管布局上應(yīng)用DBB,還將增加H線粘合的有益特性。丨GBT和MOSFET己經(jīng)正在初步檢測中。由于每根銅線的橫截面增大至60〇nm,可達到極端載流能力。
責(zé)任編輯:電力交易小郭
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