納米銀燒結(jié)技術(shù)：SiC半橋模塊的性能飛躍

引言

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體材料，以其優(yōu)異的物理和化學(xué)性能在高壓、高頻、高溫等惡劣環(huán)境下展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。尤其在雷達陣面高功率密度的需求下，SiC寬禁帶半導(dǎo)體器件逐步取代傳統(tǒng)硅功率器件。然而，SiC功率器件的高結(jié)溫和高功率特性對封裝技術(shù)提出了更高的要求。納米銀燒結(jié)技術(shù)作為一種先進的界面互連技術(shù)，以其低溫?zé)Y(jié)、高溫使用的優(yōu)點和良好的高溫工作特性，成為大功率器件封裝的首選。本文將詳細探討納米銀雙面燒結(jié)SiC半橋模塊封裝技術(shù)，包括其原理、工藝步驟、優(yōu)化方法以及性能測試等。

SiC半橋模塊概述

SiC半橋模塊是構(gòu)成逆變電路、脈沖寬度調(diào)制（PWM）整流電路、多電平變流器等眾多電力電子電路的基本單元。SiC MOSFET半橋模塊以其高電壓、大電流、低開關(guān)損耗和高溫穩(wěn)定性等特點，在電力電子系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。為了滿足雷達陣面高功率密度的需求，SiC寬禁帶半導(dǎo)體器件在電源模塊應(yīng)用中逐步取代傳統(tǒng)硅功率器件。然而，傳統(tǒng)焊接及導(dǎo)電膠粘工藝存在導(dǎo)電性能差、熱阻大、高溫蠕變等缺點，無法發(fā)揮SiC功率器件的優(yōu)勢。納米銀燒結(jié)技術(shù)作為一種先進的界面互連技術(shù)，成為解決這一問題的有效途徑。

納米銀燒結(jié)技術(shù)原理

納米銀燒結(jié)技術(shù)利用納米銀顆粒的尺寸效應(yīng)，在低溫下通過施加溫度、壓力和時間三個驅(qū)動力，使銀顆粒形成致密的燒結(jié)體。這種燒結(jié)體具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和機械強度，能夠在高溫下保持穩(wěn)定工作。與傳統(tǒng)的焊料合金相比，納米銀燒結(jié)技術(shù)具有以下優(yōu)點：

低溫?zé)Y(jié)高溫使用：納米銀燒結(jié)可以在較低的溫度下進行，但燒結(jié)后的連接層可以在高溫下保持穩(wěn)定工作。

高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性：納米銀燒結(jié)層的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率遠高于傳統(tǒng)焊料，能夠顯著降低芯片與基板之間的熱阻和電阻。

良好的機械強度：納米銀燒結(jié)層具有較高的機械強度，能夠承受大電流、高電壓帶來的大功率應(yīng)用需求。

優(yōu)異的可靠性：納米銀燒結(jié)連接層能夠在溫度和應(yīng)力循環(huán)過程中保持固相連接層的強度，具有較長的使用壽命。

納米銀雙面燒結(jié)SiC半橋模塊封裝工藝流程

納米銀雙面燒結(jié)SiC半橋模塊封裝技術(shù)主要包括以下幾個步驟：

基板預(yù)處理：選擇氮化鋁DBC（直接鍵合陶瓷）基板作為封裝基板，并進行清洗和干燥處理，以去除基板表面的污染物和水分。

納米銀焊膏涂覆：在DBC基板的上表面絲網(wǎng)印刷一層納米銀焊膏，并通過預(yù)烘烤去除多余的有機溶劑。這一步驟的關(guān)鍵在于控制納米銀焊膏的涂覆厚度和均勻性，以確保燒結(jié)后的連接層質(zhì)量。

SiC芯片有壓燒結(jié)：將SiC芯片放置于納米銀焊膏上，并使用燒結(jié)壓機進行有壓輔助燒結(jié)。燒結(jié)溫度、壓力和時間等參數(shù)需要根據(jù)具體工藝進行優(yōu)化。有壓燒結(jié)可以提高燒結(jié)層的致密度和機械強度。

納米銀無壓燒結(jié)：在SiC芯片上方，使用點膠機將納米銀無壓燒結(jié)漿料涂覆在芯片和基板表面，進行無壓燒結(jié)。無壓燒結(jié)適用于芯片正面與基板之間的互連，可以避免因壓力不均導(dǎo)致的芯片損傷。

柵極引線鍵合：使用金絲或鋁絲將SiC芯片的柵極與基板上的引線進行鍵合，實現(xiàn)電氣互聯(lián)。

端子焊接與封裝：在DBC基板上的外部連接端子使用噴射式點膠的錫銀銅無鉛焊錫膏進行焊接。最后，使用硅膠將模塊進行絕緣封裝。

成型焊片設(shè)計與制備

成型焊片是納米銀雙面燒結(jié)SiC半橋模塊封裝技術(shù)中的關(guān)鍵組件。其設(shè)計應(yīng)綜合考慮功率器件的焊片尺寸、電流傳輸特性、最大結(jié)溫等因素。通過熱機應(yīng)力的仿真及優(yōu)化，可以得到最佳的成型焊片結(jié)構(gòu)。成型焊片的加工和制備對后續(xù)互聯(lián)的可靠性至關(guān)重要，需要對焊片的鍍層體系、結(jié)構(gòu)形式、內(nèi)在應(yīng)力等展開相關(guān)研究。

在成型焊片的設(shè)計中，穿孔結(jié)構(gòu)形式被證明是有效的。這種結(jié)構(gòu)不僅可以起到壓力釋放的作用，還可以作為擴散溝道滿足無壓力燒結(jié)納米銀膠料的氧化需求。通過仿真分析和優(yōu)化，可以選擇合適的焊片厚度，以平衡應(yīng)力釋放和加工變形之間的矛盾。

工藝優(yōu)化與性能測試

為了優(yōu)化納米銀雙面燒結(jié)SiC半橋模塊封裝技術(shù)，需要進行大量的工藝試驗和性能測試。以下是一些關(guān)鍵的優(yōu)化方法和測試內(nèi)容：

燒結(jié)界面微觀分析：通過掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS）等手段，對燒結(jié)界面進行微觀分析，觀察燒結(jié)層的致密度、孔隙率和元素分布等特性。

芯片剪切強度和焊片剝離強度測試：通過剪切強度和剝離強度測試，評估燒結(jié)連接層的機械強度。這些測試對于確保模塊在長期使用過程中的可靠性至關(guān)重要。

靜態(tài)測試和雙脈沖測試：對封裝好的SiC半橋模塊進行靜態(tài)測試和雙脈沖測試，評估其電氣性能和開關(guān)特性。靜態(tài)測試主要包括柵極泄漏電流、漏極電壓等參數(shù)的測量；雙脈沖測試則用于評估模塊的開關(guān)切換時間、漏極電壓過沖等動態(tài)性能。

通過優(yōu)化燒結(jié)工藝參數(shù)和測試性能，可以得到滿足產(chǎn)品應(yīng)用需求的SiC半橋模塊。例如，某研究團隊通過優(yōu)化納米銀燒結(jié)工藝，得到了柵極泄漏電流小于1.5 nA、開關(guān)切換時間小于125 ns、漏極電壓過沖小于12.5%的SiC半橋模塊。

結(jié)論與展望

納米銀雙面燒結(jié)SiC半橋模塊封裝技術(shù)以其低溫?zé)Y(jié)、高溫使用的優(yōu)點和良好的高溫工作特性，成為大功率器件封裝的首選。通過優(yōu)化成型焊片設(shè)計、納米銀焊膏涂覆、有壓和無壓燒結(jié)等關(guān)鍵工藝步驟，可以得到具有高可靠性、高性能的SiC半橋模塊。

未來，隨著納米銀燒結(jié)技術(shù)的不斷發(fā)展和成本的降低，其在SiC功率器件封裝中的應(yīng)用將更加廣泛。同時，結(jié)合先進的集成封裝工藝技術(shù)，可以進一步提升模塊的可靠性、性能和成本效益。此外，還需要對納米銀雙面燒結(jié)技術(shù)在高溫環(huán)境中長期應(yīng)用的可靠性、高溫銀擴展風(fēng)險等方面開展進一步的研究，以推動其在電力電子領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

綜上所述，納米銀雙面燒結(jié)SiC半橋模塊封裝技術(shù)是一種具有廣闊應(yīng)用前景的先進封裝技術(shù)。通過不斷優(yōu)化工藝和性能測試，可以為SiC功率器件在高壓、高頻、高溫等惡劣環(huán)境下的應(yīng)用提供有力支持。