淺談功率半導(dǎo)體的燒結(jié)芯片貼裝技術(shù)

技術(shù)正在不斷發(fā)展。工業(yè)部門跟隨發(fā)展，公司專注于市場上最需要的應(yīng)用，根據(jù)消費(fèi)者的需求改變他們的生產(chǎn)重點(diǎn)。AMX 為他們的燒結(jié)壓力機(jī)發(fā)明了一種新型燒結(jié)工具 Micro-Punch，它可以獨(dú)立地以特定壓力壓制基板上的每個(gè)組件（熱敏電阻、IGBT、MOSFET、芯片、芯片）。據(jù) AMX 稱，Micro-Punch 工具可確保均勻的壓力并消除以下高價(jià)值問題：模具斷裂、傾斜、分層和空洞。Micro-Punch 工具對模具的數(shù)量或位置沒有限制；它可以適應(yīng)任何 DBC 尺寸或配置，它可以獨(dú)立壓制最薄和最小的模具，即使它們彼此非常接近。

加壓燒結(jié)

銀 （Ag）/銅 （Cu） 壓力燒結(jié)（見圖 1）是一種應(yīng)用于粉末材料（即納米顆粒）的熱處理工藝，以提供更高的強(qiáng)度、完整性和導(dǎo)電性。據(jù) AMX 稱，燒結(jié)目前被認(rèn)為是連接電力電子元件的最可靠技術(shù)。銀燒結(jié)膏是目前應(yīng)用最廣泛的材料。熔點(diǎn)約為 960?C，銀燒結(jié)膏的熱導(dǎo)率在 130 至 250 W/（m·K） 之間。銀燒結(jié)漿料對環(huán)氧樹脂具有高附著力，將組件保持在固定位置以實(shí)現(xiàn)出色的管理，并且總體上提高了工藝的總產(chǎn)量。下一代需要銅燒結(jié)，特別是要實(shí)現(xiàn)顯著的成本節(jié)約。與其他粘合方法相比，

• 它具有最佳的導(dǎo)熱系數(shù)（>150 W/（m·K））。
• 具有最佳的導(dǎo)電系數(shù)。
• 它在耐久性測試中提供了最佳結(jié)果，甚至比焊接互連好 100 倍。
• 它顯示出較高的重熔溫度（>400?C）。

據(jù) AMX 稱，其獲得專利的壓力燒結(jié)技術(shù)允許：

在 DBC/AMC 和其他電鍍基板或裸銅上燒結(jié)硅和碳化硅

• 框架/離散
• 嵌入式模具、夾子、墊片等
• 不同材料、表面和工藝的相互作用

新應(yīng)用包括多級互連、集成模塊、組件連接、配電、UPS 轉(zhuǎn)換和存儲、充電站、逆變器、伺服電機(jī)、雷達(dá)和傳感器。

圖 1：壓力燒結(jié)示意圖

一種新方法：Micro-Punch

在研究過程中，該公司獲得了一項(xiàng)創(chuàng)新專利，該創(chuàng)新從燒結(jié)工藝中獲得了最佳效果，如圖 2 所示。這就是 Micro-Punch 系統(tǒng)，它與傳統(tǒng)系統(tǒng)完全不同，比以前的系統(tǒng)有了顯著進(jìn)步用過的。第一個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)單個(gè)壓力機(jī)組成，該壓力機(jī)向所有組件施加相同的力。各種部件的任何厚度差異都不可避免地帶來問題。換句話說，如果在某個(gè)點(diǎn)上的面團(tuán)稍厚一點(diǎn)，那么所有壓榨機(jī)的力都會(huì)精確地施加在該點(diǎn)上，使壓力不成比例地增加，并增加了材料破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

該公司推出了 Micro-Punch 系統(tǒng)的一項(xiàng)重大創(chuàng)新：現(xiàn)在使用專用壓機(jī)在每個(gè)單點(diǎn)上獨(dú)立施加壓力。結(jié)果，前面的問題被消除了。AMX 銷售經(jīng)理 Alessio Greci 說：“AMX 專利徹底革新了這個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。比賽開發(fā)了一些中間和替代解決方案，通常將幾個(gè)壓力機(jī)分組到子組中，但 MicroPunch 系統(tǒng)在可重復(fù)性方面表現(xiàn)出出色的結(jié)果，特別是在高級封裝應(yīng)用中，盡管擁有成本和處理時(shí)間是相同的?！?/p>

圖 2：AMX 獲得專利的方法之一（右）與經(jīng)典方法（左）

圖 3：AG 燒結(jié)技術(shù)的演變

最大程度的定制

據(jù) AMX 稱，Micro-Punch 系統(tǒng)可定制以滿足客戶的需求。事實(shí)上，他們中的許多人更關(guān)心解決方案的準(zhǔn)確性和可靠性，而不是成本。消除材料破損問題是首要要求。當(dāng)工藝中涉及各種類型的電子元件（例如二極管、MOSFET 和熱敏電阻的混合）時(shí)，這一要求最為明顯。使用 Micro-Punch，每個(gè)壓力機(jī)都專用于一個(gè)點(diǎn)（見圖 4），整個(gè)系統(tǒng)能夠獨(dú)立地壓制熱敏電阻和 IGBT。

此外，根據(jù) AMX 的說法，Micro-Punch 可以對各種電子元件施加不同且獨(dú)立的壓力。以這種方式，如果客戶認(rèn)為組件更易碎并且對高壓反應(yīng)不佳，則可以稍微減少壓力。因此，在設(shè)計(jì)階段并根據(jù)客戶的規(guī)格，可以在不同的壓力和應(yīng)用的組件之間進(jìn)行選擇。因此，最終生產(chǎn)的機(jī)器是定制的，以滿足最終用戶的需求。例如，可以定義各種活塞之間的壓力比，指定一個(gè)參數(shù)，該參數(shù)標(biāo)識一個(gè)活塞的壓力必須是另一個(gè)活塞的兩倍。

“很明顯，這些最初選擇的參數(shù)可以在每次電路發(fā)生變化時(shí)由客戶進(jìn)行修改，并且 ［他們］ 可以不時(shí)修改所施加壓力之間的關(guān)系，”Greci 說。他繼續(xù)說道，“Micro-Punch 系統(tǒng)可以處理彼此非常接近的元素，因?yàn)槔碚撋线@些組件的 GAP 為零，并且可以在自由移動(dòng)的同時(shí)相互接觸。燒結(jié)目前用于 SiC 等半導(dǎo)體應(yīng)用?！?/p>

圖 4：單個(gè)沖頭允許您單獨(dú)分配壓力。

汽車領(lǐng)域的燒結(jié)

在過去的幾年里，所有東西都是在汽車中焊接在一起的。AMX 還在汽車領(lǐng)域?qū)嵤毫Y(jié)方法，特別是對于非常高功率的模塊。今天，市場需要更大的小型化和高功率，公司的大部分活動(dòng)將集中在這種類型的應(yīng)用上。也有使用火車的公共交通的實(shí)施方案，但顯然空間問題較少。事實(shí)上，小型化主要涉及汽車領(lǐng)域。電源模塊的其他應(yīng)用還涉及數(shù)據(jù)中心、不間斷電源和大型電源變壓器。

壓力燒結(jié)：一組重要參數(shù)

各種燒結(jié)程序之間的差異與其說是由要燒結(jié)的組件類型決定，不如說是由選擇和使用的漿料決定。客戶可以選擇粘貼和要遵循的工作過程。顯然有一些初始參數(shù)是先驗(yàn)選擇的，它們或多或少是標(biāo)準(zhǔn)的。燒結(jié)過程需要約 250?C 的溫度、15 至 25 兆帕的壓力和約 3 分鐘的時(shí)間。這是描述整個(gè)過程的起點(diǎn)。

根據(jù)初步結(jié)果，可以調(diào)整一些參數(shù)以獲得最佳結(jié)果。通常，客戶會(huì)檢查力或熱力的影響，觀察組件對各種類型疲勞的反應(yīng)，并在顯微鏡下分析各個(gè)部件。通常，這些參數(shù)由漿料制造商設(shè)置，并在試驗(yàn)過程中逐個(gè)工藝進(jìn)行微調(diào)。最后，壓力燒結(jié)是一種允許高溫密封的工藝，具有高可靠性、完美的可重復(fù)性，目前被認(rèn)為是最佳解決方案。必須評估其他參數(shù)，例如溫度和熱膨脹系數(shù)。

雙反饋系統(tǒng)

AMX 提供“雙反饋”選項(xiàng)。此功能可避免向組件施加壓力時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。施加在兩個(gè)方面的壓力受到控制：

在壓力機(jī)上

在施加力的特定點(diǎn)上

使用力傳感器進(jìn)行的雙重檢查會(huì)評估施加在壓力機(jī)上的力是否與組件接收的力一致。了解整個(gè)燒結(jié)區(qū)域后，您可以計(jì)算從上方施加的壓力以及約束反應(yīng)的理論力，并將其與傳感器輸出進(jìn)行比較（參見圖 5）。事實(shí)上，操作員可能會(huì)卸下壓腳進(jìn)行清潔，然后忘記更換。在這種情況下，編程壓力將不同于施加到組件上的實(shí)際壓力，從而導(dǎo)致顯著的力不平衡。換言之，當(dāng)壓板沒有施加預(yù)期的力時(shí)，系統(tǒng)會(huì)檢測并通知操作員。幾個(gè)傳感器也用于氧氣濃度和溫度，雖然看起來是多余的，出于安全原因（例如，傳感器可能出現(xiàn)故障）。收集所有這些信息以獲得整個(gè)過程的完整概況。

圖 5：在壓力燒結(jié)中，每個(gè)壓力機(jī)都是受控的，并且完全獨(dú)立于其他壓力機(jī)。