隨著新一代IGBT芯片及功率密度的進一步提高,對功率電子模塊及其封裝工藝要求也越來越高,特別是芯片與基板的互連技術很大程度上決定了功率模塊的壽命和可靠性。IGBT模塊的封裝技術難度高,高可靠性設計和封裝工藝控制是其技術難點。IGBT模塊具有使用時間長的特點,汽車級模塊的使用時間可達15年。因此在封裝過程中,模塊對產品的可靠性和質量穩定性要求非常高。高可靠性設計需要考慮材料匹配、高效散熱、低寄生參數、高集成度。 隨著第三代半導體器件(如碳化硅和氮化鎵等)的快速發展,對封裝的性能方面提出了更為嚴苛的要求。銀燒結技術是一種新型的高可靠性連接技術,在功率模塊封裝中的應用受到越來越多的關注。
銀燒結技術也被稱為低溫連接技術(Low temperature joining technique,LTJT),作為一種新型無鉛化芯片互連技術,可在低溫(<250℃)條件下獲得耐高溫(>700℃)和高導熱率(~240 W/m·K)的燒結銀芯片連接界面,具有以下幾方面優勢:
①燒結連接層成分為銀,具有優異的導電和導熱性能;②由于銀的熔點高達(961℃),將不會產生熔點小于300℃的軟釬焊連接層中出現的典型疲勞效應,具有極高的可靠性;③所用燒結材料具有和傳統軟釬焊料相近的燒結溫度;④燒結材料不含鉛,屬于環境友好型材料。
相對于焊料合金,銀燒結技術可以更有效的提高大功率硅基IGBT模塊的工作環境溫度及使用壽命。目前,銀燒結技術已受到高溫功率電子領域的廣泛關注,它特別適合作為高溫SiC器件等寬禁帶半導體功率模塊的芯片互連界面材料。
銀燒結技術是一種對微米級及以下的銀顆粒在300℃以下進行燒結,通過原子間的擴散從而實現良好連接的技術。所用的燒結材料的基本成分是銀顆粒,根據狀態不同,燒結材料一般為銀漿(銀膏)、銀膜,對應的工藝也不同:
銀漿工藝流程:銀漿印刷——預熱烘烤——芯片貼片——加壓燒結;
銀膜工藝流程:芯片轉印——芯片貼片——加壓燒結。
芯片轉印是指將芯片在銀膜上壓一下,利用芯片銳利的邊緣,在銀膜上切出一個相同面積的銀膜并粘連到芯片背面。
IGBT作為重要的電力電子的核心器件,其可靠性是決定整個裝置安全運行的最重要因素。由于IGBT采取了疊層封裝技術,該技術不但提高了封裝密度,同時也縮短了芯片之間導線的互連長度,從而提高了器件的運行速率。但也正因為采用了此結構,IGBT的可靠性受到了嚴重挑戰。由于IGBT主要是用來實現電流的切換,會產生較大的功率損耗,因此散熱是影響其可靠性的重要因素。
IGBT模塊封裝級的失效主要發生在結合線的連接處,芯片焊接處和基板焊接處等位置。尤其兩個焊接處,是IGBT主要的熱量傳輸通道,焊接處的焊接質量是影響其可靠性因素的重中之重。
研究表明,焊料層內的空洞會影響溫度熱循環,器件的散熱性能降低,這也會促進溫度的上升,影響期間在工作過程中的熱循環,造成局部溫度過高,從而加快模塊的損壞。有調查表明,工作溫度每上升10℃,由溫度引起的失效率增加一倍。并且,應力與應變之間存在著滯回現象,在不斷地溫度循環當中,材料的形狀實時地發生改變,這又增加了焊料層的熱疲勞。因此對于IGBT封裝來說,最重要的就是要降低焊料層內的空洞。
銀燒結工藝是一種通過銀質焊料在高溫下實現的芯片與基板間的連接方式。相較于傳統的軟釬焊技術,銀燒結具有更高的熔點、更低的電阻率和更好的熱穩定性,因此被廣泛應用于高功率、高溫工作環境的IGBT模塊制造中。
銀燒結工藝的關鍵在于焊料的選擇、燒結溫度的控制以及燒結時間的把握。焊料成分的比例直接影響到燒結后的機械強度和電學性能。同時,燒結溫度過高或過低都會導致焊料與芯片、基板間的結合不良,從而影響模塊的可靠性。因此,優化焊料配方和燒結工藝參數是提高銀燒結質量的關鍵。
在功率器件中,流經焊接處的熱量非常高,因此需要更加注意芯片與框架連接處的熱性能及其處理高溫而不降低性能的能力。有熱模型研究表明,使用焊料進行晶粒貼裝與使用銀燒結進行晶粒貼裝的工藝相比,后者可將熱阻降低28%。與此同時,燒結材料通??梢赃_到200℃-300℃,這讓燒結技術成為焊接工藝理想的替代方案。此外,芯片粘接是一個極其復雜的過程,采用燒結銀技術進行芯片粘接,可大大降低總制造成本,加工后無需清洗,還可縮短芯片之間的距離。
銀燒結工藝燒結體具有優異的導電性、導熱性、高粘接強度和高穩定性等特點,應用該工藝燒結的模塊可長期工作在高溫情況下;燒結工藝在芯片燒結層形成可靠的機械連接和電連接,半導體模塊的熱阻和內阻均會降低,整體提升模塊性能及可靠性;燒結料為純銀材料,不含鉛,屬于環境友好型材料。
焊接層空洞的產生,主要是由于焊接材料中的揮發物留著焊接層中造成,而IGBT的芯片通常都比較大,長會達到10mm-20mm,并且DBC的尺寸通常在20mm-40mm,如此大的焊接面積,給焊接材料中的揮發物揮發造成很大困難。因此IBGT焊接層的空洞成為人們極力解決的問題。而對于IGBT高可靠性的要求,空洞率必然是封裝環節的一個重要控制因素。通常小家電、普通電氣裝備用的IGBT要求空洞率<5%,對于軌道交通、航空航天 等領域,空洞率要求更加苛刻,甚至需要達到0.1%以下。
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