- 功率模塊的燒結(jié)技術(shù)簡(jiǎn)述
- 燒結(jié)技術(shù)的應(yīng)用
- 燒結(jié)技術(shù)的未來(lái)
1994年以來(lái)，銀燒結(jié)技術(shù)已被用于芯片和基板之間的連接。當(dāng)時(shí)，許多國(guó)際會(huì)議都對(duì)銀燒結(jié)鍵合層的性能和在可靠性方面的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析和報(bào)告。然而，當(dāng)時(shí)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(gè)需鍵合組件之間形成一個(gè)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(diǎn)很重要，那就是要知道每個(gè)粒子是被特殊涂層材料所包圍。產(chǎn)生鍵合很簡(jiǎn)單：只需在兩個(gè)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(guò)一段特定時(shí)間后，就可以產(chǎn)生穩(wěn)定的燒結(jié)連接。但是，這個(gè)基本過(guò)程只適用于最初的技術(shù)評(píng)估。
圖1.燒結(jié)處理前（左）和處理后（右）的銀擴(kuò)散層
過(guò)去幾年，一直在對(duì)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(dú)立燒結(jié)粘貼層，是如今賽米控所認(rèn)可和實(shí)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(lái)制造5“×7“的多芯片DCB。燒結(jié)壓機(jī)被設(shè)計(jì)用來(lái)根據(jù)加工行為處理壓力負(fù)荷。加工過(guò)程還在不斷改善。
芯片與基板之間燒結(jié)層的接觸強(qiáng)度非常高。在可靠性測(cè)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(shì)是沒(méi)有必須被清洗掉的焊接停止層。芯片相對(duì)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(guò)程中會(huì)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(duì)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(gè)事實(shí)，即燒結(jié)連接中所用銀的熔點(diǎn)比今天普遍使用的無(wú)鉛焊料要高出4倍（見(jiàn)表1）。燒結(jié)技術(shù)高溫穩(wěn)定性表明連接層沒(méi)有老化。
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應(yīng)用中的燒結(jié)技術(shù)
用于22kW-150kW電動(dòng)及混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)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(jiàn)圖3）。直接定位在每個(gè)芯片旁的壓力點(diǎn)確保DCB均勻連接。無(wú)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(diǎn)的剖面圖。
圖3SKiM63的剖面圖
完全沒(méi)有焊接，使得SKiM系列成為市場(chǎng)上第一款100％無(wú)焊接的模塊。燒結(jié)技術(shù)、壓接技術(shù)以及無(wú)基板設(shè)計(jì)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(guò)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(yùn)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(lái)更大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樘蓟杞M件可以運(yùn)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(gè)事實(shí)，即這些連接層的熔點(diǎn)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(wú)老化，這在可靠性測(cè)試中得到了驗(yàn)證。
圖4.采用燒結(jié)芯片的模塊的熔化溫度比運(yùn)行溫度高6倍
多年來(lái)，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(guò)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(dòng)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(shuō)明了這兩個(gè)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(shí)電流Ic可控。
燒結(jié)技術(shù)的未來(lái)
賽米控開發(fā)的燒結(jié)技術(shù)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它使所生產(chǎn)的組件更強(qiáng)大、更可靠，壽命更長(zhǎng)。無(wú)底板模塊、壓接系統(tǒng)和燒結(jié)技術(shù)，這些用于面向電動(dòng)和混合動(dòng)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(yáng)能發(fā)電、電梯系統(tǒng)、無(wú)軌電車、地鐵和地下交通工具。
燒結(jié)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)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。
