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TPAK SiC優(yōu)選解決方案:有壓燒結(jié)銀+銅夾Clip無壓燒結(jié)銀

sharex ? 來源:sharex ? 作者:sharex ? 2024-04-25 20:27 ? 次閱讀

TPAK SiC優(yōu)選解決方案:有壓燒結(jié)銀+銅夾Clip無壓燒結(jié)銀

第三代半導(dǎo)體以及新能源汽車等新興電力電子領(lǐng)域的出現(xiàn)和發(fā)展,對于功率模塊的發(fā)展不僅僅停留在芯片技術(shù)的迭代,同時(shí)為了滿足更高的需求。性能取決于封裝技術(shù)的高占比率,汽車行業(yè)對于成本效率、可靠性和緊湊性有著很高的要求,新的封裝技術(shù)和工藝日益浮出水面。

相比之前的標(biāo)準(zhǔn)化模塊封裝,近年來各具特色的模塊封裝類型都慢慢發(fā)展起來,比如:DCM、HPD和TPAK等等。并且其中細(xì)節(jié)部分也有著不一樣的改進(jìn),如DBB技術(shù)、Cu-Clip技術(shù)、激光焊接、SKiN、單/雙面水冷、銀燒結(jié)、銅燒結(jié)等等,無疑給模塊封裝技術(shù)增添了更多組合的可能,以應(yīng)對不同的性價(jià)比和應(yīng)用。

IGBT的封裝失效模式中,焊料的疲勞和鍵合線故障導(dǎo)致的失效是器件失效的兩大主要原因。在IGBT多層結(jié)構(gòu)中,芯片下方的散熱通道是散熱的主要途徑,芯片下面焊料是其中的重要組成部分,也是最容易發(fā)生焊料疲勞退化的位置。

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AS9300系列燒結(jié)銀

一 傳統(tǒng)焊料缺點(diǎn)

傳統(tǒng)釬焊料熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱性差,在工作期間產(chǎn)生的熱循環(huán)過程中,由于材料間CTE差異,在材料間產(chǎn)生交變的剪切熱應(yīng)力,在應(yīng)力的連續(xù)作用下,容易導(dǎo)致焊料層疲勞老化、產(chǎn)生裂紋,進(jìn)而發(fā)展為材料分層,由于裂紋和分層的產(chǎn)生,焊料層與各層材料間的接觸面積減小,熱阻變大,加速了焊料層的失效,難以滿足車規(guī)高功率SiC器件封裝的可靠性及其高溫應(yīng)用要求。

二 鋁線鍵合缺點(diǎn)

由于鋁及其合金價(jià)格低、熱導(dǎo)率高,25℃時(shí)為237(W/mK),鋁線鍵合是目前模塊封裝中應(yīng)用最廣泛的一種芯片互連技術(shù)。但由于鋁的熱膨脹系數(shù)23.2×10-6K-1與硅芯片的熱膨脹系數(shù)4.1×10-6K-1相差較大,在長時(shí)間的功率循環(huán)過程中容易產(chǎn)生大量熱量并積累熱應(yīng)力,引起鍵合線斷裂或鍵合接觸表面脫落,導(dǎo)致模塊失效。在電流輸出能力要求較高的情況下,芯片表面鍵合引線的數(shù)目過多,會引起較大的雜散電感,同時(shí)對電流均流也有一定影響。

三 燒結(jié)銀AS9386+銅Clip無壓燒結(jié)銀AS9376優(yōu)點(diǎn)

為解決高功率密度車用模塊中芯片下面焊料疲勞與鍵合線故障問題,善仁新材針對Tpak SiC封裝,為客戶提供了一個(gè)創(chuàng)新的材料解決方案:有壓燒結(jié)銀AS9386+銅Clip方案。芯片與AMB間的連接采用燒結(jié)銀AS9386代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊料,5mm*5mm碳化硅芯片推薦燒結(jié)銀BLT厚度30UM左右。銀的熔點(diǎn)高達(dá)961℃,不會產(chǎn)生熔點(diǎn)小于300℃的軟釬焊連接層中出現(xiàn)的典型疲勞效應(yīng),大幅提高了模塊的功率循環(huán)能力;芯片上表面采用無壓燒結(jié)銀AS9330焊接銅Clip的一體化leadframe替代鋁線鍵合,可以減小模塊內(nèi)部的雜散電感,提升了芯片表面電流的均流性,增強(qiáng)了模塊整體的過流能力。銅比鋁更優(yōu)異的導(dǎo)熱能力,也提升了模塊整體的散熱能力。有效地提升了模塊整體的出流能力和可靠性。

推薦:1使用較薄的Clip,建議厚度0.5-1.0mm之間,連接的位置熱機(jī)械應(yīng)力會更小,但滿足必要的載流能力的同時(shí),盡量使用較薄的Clip。

2可以通過開孔來緩解應(yīng)力,孔的形狀大小和芯片接觸的邊緣位置又有所考究,這需要結(jié)合實(shí)際來具體設(shè)計(jì)完善的。

3推薦TPAK模塊在內(nèi)外部都采用了燒結(jié)銀(sintering)作為連接方式。模塊內(nèi)部,芯片通過銀燒結(jié)層與AMB相連,代替錫焊層。在模塊外部,TPAK的底板也燒結(jié)到散熱器上,代替導(dǎo)熱膏涂層。兩者共同作用,不僅使得系統(tǒng)的散熱能力上了一個(gè)臺階,而且TPAK本身的可靠性,特別是功率循環(huán)次數(shù),也獲得了很大提高。另外,散熱性能的提高意味著同樣尺寸的芯片可以在限定的結(jié)溫下輸出更大的電流,或是輸出同樣的電流下用較小尺寸的芯片,實(shí)現(xiàn)芯片降本。

四 測試數(shù)據(jù)

按照AQG-324標(biāo)準(zhǔn),獲取模塊在隨機(jī)激勵(lì)條件下的振動(dòng)頻率,研究銅夾Clip方案模塊被迫抵抗外部隨機(jī)振動(dòng)的能力與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性。

根據(jù)仿真結(jié)果:模塊整體應(yīng)力較小,最大應(yīng)力出現(xiàn)在與塑封體相交的銅排端子處部位,其中最大應(yīng)力不超38MPa,安全系數(shù)取1.35,滿足安全使用條件。

在對應(yīng)PSD頻譜作用下,模塊最易損壞的部分是與塑封相交的銅排端子處部位,與模型的應(yīng)力分布相吻合,其中模塊最低壽命為9.9×104s滿足22h要求。電感部分對模塊整體電感進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果模塊電感4.9nH滿足設(shè)計(jì)要求。

前期驗(yàn)證考慮芯片最大結(jié)溫是否滿足芯片耐受溫度。使用軟件PLECS,依據(jù)數(shù)據(jù)手冊計(jì)算相應(yīng)芯片損耗,根據(jù)熱仿真結(jié)果芯片最高溫度小于140℃,滿足設(shè)計(jì)要求。

總的來說,善仁新材推出的車規(guī)級SIC Tpak器件材料解決方案:采用有壓燒結(jié)銀AS9386和銅夾Clip無壓燒結(jié)銀技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高可靠性、低熱阻、低雜散電感器件設(shè)計(jì)。銀燒結(jié)技術(shù)使用銀漿替代傳統(tǒng)焊料,降低模塊整體熱阻,提高芯片和AMB互連的可靠性,有效增強(qiáng)模塊的功率循環(huán)能力。銅夾Clip技術(shù)利用Leadframe一體化的銅排代替鍵合鋁線,可以有效地減小模塊內(nèi)部雜散電感,擁有更高的電流輸出能力的同時(shí)可以增強(qiáng)芯片的散熱,提高模塊的可靠性。

審核編輯 黃宇

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