電力電子焊接技術研究

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1引言

功率模塊焊接和連接的最新技術水平是空白的使用一一半導體底面與頂層基材和鋁（A）粗線互連的無鉛焊接工藝。由于設計靈活性大、實現自動化的程序簡單，鋁線綁定現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計的瓶頸。過去，利用燒結帶或編織帶提出了一些關于芯片頂層觸點的解決方案對于1C或存儲產品而言，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事項PM。銅線綁定保持了當前鋁線綁定法的設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，以防止功率半導體在粘合焊盤的作用下出現芯片裂紋和結構損壞。很多功率半導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勢之一是這種方法可使用粗銅線綁定，無需改變半導體頂層金屬化。因此，半導體制造廠可依靠現有的工藝技術和既定的金屬化，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較快的上市時間。銀燒結是一種成熟的功率半導體焊接和連接技術，｜｜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，大多數制造廠有售。

2綁定和焊接技術

2．1低壓燒結。低壓燒結接受用于生產整流器功率模塊，采用這種技術，功率模塊質量更好，熱工特性、機械特性和電氣特性優良。燒結時需要在焊接件之間涂銀膏。燒結過程中，施加壓力產生一層密實的銀層，連接可靠。燒結過程中，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。據報道，當前的燒結工藝可在40MPa以下的壓力水平完成｜6im。減小壓力可生產不同規格的模塊，從而增加設計靈活性，便于利用批量生產技術。2．2粗銅線綁定。銅線綁定是電力電子產品總成的大電流互連最看好的技術之一。與鋁線綁定相比，銅線綁定布局靈活性高、質量過程成熟，正因為這兩條原因，加快了銅線綁定的研發。與鋁材相比，電線粘合互連采用銅質材料，有兩大好處：（1）電流能力增加37％：（2）銅的熱傳導率好（比鋁的熱傳導率高達80％）。2．3丹佛斯粘合緩沖板技術（DBB）。丹佛斯粘合緩沖板技術（DBB）由燒結在金屬半導體頂層金屬化表面上的薄銅箔組成，如圖1所示。此外，替換半導體底面接口與DBC基體的凸點瓦連時，也可采用相同的燒結技術。圖1燒結DBB銀和銅線綁定熱堆棧的橫截面設計DBB吋，其尺寸要保證熱機械優化，以減小由于CTE不匹配而引起的機械應力。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勢。采用DBB后，半導體內出現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果。

3結果

3．1熱模擬。為了證明新封裝技術的性能，我們使用熱模擬軟件FlowEFD，對不同的設計方案進行了研宄。為了便于對結果進行比較，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。在燒結的DBB變型（V5）中，10ms的Zth比標準焊機技術（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、燒結模塊和編織帶模塊試驗中得出比較數據W。功申循環結果如閣4所示。丹佛斯標準整流器模塊約有40000個循環，而采川鋁線的燒結模塊約有70000個循環。DBB模塊至少有600000個循環，比丹佛斯標準模塊好約15倍，比行業標準好約60倍mi。

4結論

引入丹佛斯焊接緩沖板（DBB）技術，可采用粗銅線綁定，完全與可靠性高的銀燒結工藝兼容。結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，是行業標準的60倍。使用丹佛斯焊接緩沖板，半導體采用粗銅線綁定后，現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基體之間采用燒結技術，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，還可縮短上市時間，最大好處是對現有已成熟并值得信賴的制造方式的影響很小。

5前景展望

下一步研發工作是在相同的粘合緩沖板上，使用一個門區域（GatePadArea）和一個發射區域（如果是IGBT），在晶體管布局上應用DBB，還將增加H線粘合的有益特性。丨GBT和MOSFET己經正在初步檢測中。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。