- 功率模塊的燒結技術簡述
- 燒結技術的應用
- 燒結技術的未來
1994年以來，銀燒結技術已被用于芯片和基板之間的連接。當時，許多國際會議都對銀燒結鍵合層的性能和在可靠性方面的優(yōu)勢進行了分析和報告。然而，當時認為這種鍵合技術還不適用于大型工業(yè)電子產品。
這些燒結芯片/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，產生燒結架橋形態(tài)，在兩個需鍵合組件之間形成一個可靠的連接。圖1顯示了燒結前后的銀粒子。在這方面，有一點很重要，那就是要知道每個粒子是被特殊涂層材料所包圍。產生鍵合很簡單：只需在兩個需鍵合組件之間，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，經過一段特定時間后，就可以產生穩(wěn)定的燒結連接。但是，這個基本過程只適用于最初的技術評估。
圖1.燒結處理前（左）和處理后（右）的銀擴散層
過去幾年，一直在對燒結技術的工業(yè)化進行研究。已經開發(fā)出的獨立燒結粘貼層，是如今賽米控所認可和實現(xiàn)的燒結粘貼層的基礎。此外，已經開發(fā)生產出燒結工程工具來制造5“×7“的多芯片DCB。燒結壓機被設計用來根據(jù)加工行為處理壓力負荷。加工過程還在不斷改善。
芯片與基板之間燒結層的接觸強度非常高。在可靠性測試中，燒結層顯示出高負載循環(huán)能力。燒結技術更進一步的優(yōu)勢是沒有必須被清洗掉的焊接停止層。芯片相對于基板的定位精度達到50μm。相比之下，采用焊接技術的定位精度只有400μm，這在后續(xù)的圖像處理過程中會成為相當大的負擔。
圖2.燒結芯片與焊接芯片的功率循環(huán)能力對比
如果有人要考慮燒結層的厚度，燒結層的厚度比標準焊接層薄4.5倍，導熱系數(shù)大4倍。這使得燒結連接具有良好的熱性能。燒結層也表現(xiàn)出遠高于焊接層的循環(huán)能力。這就得到一個事實，即燒結連接中所用銀的熔點比今天普遍使用的無鉛焊料要高出4倍（見表1）。燒結技術高溫穩(wěn)定性表明連接層沒有老化。
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應用中的燒結技術
用于22kW-150kW電動及混合動力汽車驅動變換器的SKiM®IGBT模塊系列采用了燒結技術。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（見圖3）。直接定位在每個芯片旁的壓力點確保DCB均勻連接。無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的剖面圖。
圖3SKiM63的剖面圖
完全沒有焊接，使得SKiM系列成為市場上第一款100％無焊接的模塊。燒結技術、壓接技術以及無基板設計的結合，確保了SKiM的熱循環(huán)能力為有基板焊接模塊的5倍。
在過去15年里，芯片的最高允許溫度持續(xù)上升。如今，最先進的硅器件，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)能力方面帶來更大的挑戰(zhàn)，因為碳化硅組件可以運行在高達300°C的溫度下。然而，賽米控開發(fā)的燒結技術非常適合于這種高溫范圍。這就得到這樣一個事實，即這些連接層的熔點為961°C，比如今普遍使用的焊料連接高出約740°C。燒結技術所引以為豪的這種高溫穩(wěn)定性，意味著連接層無老化，這在可靠性測試中得到了驗證。
圖4.采用燒結芯片的模塊的熔化溫度比運行溫度高6倍
多年來，功率半導體模塊的應用領域發(fā)生了巨大的變化。過去，半導體模塊被用在具有確定冷卻技術/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應用中，例如，冷卻后溫度仍高達110°C的車輛。如今所面臨的挑戰(zhàn)是如何確保功率半導體器件在這樣的冷卻條件下能夠產生其最大允許電流Icmax。圖4說明了這兩個參數(shù)之間的關系，以及在不犧牲可靠性的情況下，芯片溫度升高時電流Ic可控。
燒結技術的未來
賽米控開發(fā)的燒結技術是一項關鍵技術，它使所生產的組件更強大、更可靠，壽命更長。無底板模塊、壓接系統(tǒng)和燒結技術，這些用于面向電動和混合動力汽車的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模塊應用的領域包括風力和太陽能發(fā)電、電梯系統(tǒng)、無軌電車、地鐵和地下交通工具。
燒結技術的優(yōu)勢在第四代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。
