近年來，以使用SiC、GaN為主的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的功率模塊越來越受到廣泛關(guān)注；其具有高擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率、高電子密度、可承受大功率等特點(diǎn)，非常適合于高頻、高壓、高溫等應(yīng)用場(chǎng)合，但正因其特性，對(duì)封裝工藝提出了更高的要求，中恒微在這些新型功率模塊上研究采用了新型互聯(lián)方案以應(yīng)對(duì)模塊的各種嚴(yán)苛的應(yīng)用場(chǎng)景。

在傳統(tǒng)功率模塊中，芯片通過軟釬焊接到基板上，而傳統(tǒng)的軟釬焊料熔點(diǎn)普遍低于300℃，當(dāng)模塊工作結(jié)溫高于焊料熔點(diǎn)的60%時(shí)，焊接層的退化會(huì)加劇，超過熔點(diǎn)的80%時(shí)，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的熱疲勞損傷，從而影響功率模塊的電熱傳輸性能，加劇了模塊失效。然而，以SiC為代表的第三代半導(dǎo)體器件，可在250℃以上持續(xù)工作，傳統(tǒng)的軟釬焊料性能已經(jīng)無法匹配。

銀的熔點(diǎn)高達(dá)961℃，理論上能適配384.4℃以下的芯片結(jié)溫應(yīng)用環(huán)境（模塊結(jié)溫在低于40%的焊料熔點(diǎn)時(shí)，焊料層性質(zhì)保持非常穩(wěn)定）加上其高機(jī)械性能（>30MPa），高導(dǎo)熱率（~240W/m·K）等特性，使得納米銀特別適合可靠性要求更高的功率模塊的封裝材料。

圖示1：軟釬焊與納米銀燒結(jié)過程對(duì)比示意圖

為應(yīng)對(duì)第三代半導(dǎo)體器件高功率密度及高服役溫度的情況，經(jīng)過長(zhǎng)期研發(fā)，中恒微成功研發(fā)應(yīng)用低溫納米銀燒結(jié)工藝技術(shù)，具有良好的實(shí)際表現(xiàn)。燒結(jié)溫度低至250℃，理論穩(wěn)定服役溫度達(dá)到384.4℃，無需壓力輔助燒結(jié)，連接強(qiáng)度高，可替代傳統(tǒng)的軟釬焊料，且導(dǎo)電導(dǎo)熱性能突出，大幅提高器件壽命，完美契合第三代半導(dǎo)體封裝應(yīng)用。

納米銀燒結(jié)的基本原理

納米銀燒結(jié)技術(shù)是一種利用納米銀膏在較低的溫度下，加壓或不加壓實(shí)現(xiàn)的耐高溫封裝連接技術(shù)。常規(guī)銀的熔點(diǎn)是961℃，當(dāng)銀粉末顆粒到納米級(jí)別，熔點(diǎn)會(huì)顯著降低，納米銀膏中有機(jī)成分在燒結(jié)過程中分解揮發(fā)，最終形成銀連接層，燒結(jié)后的燒結(jié)層熔點(diǎn)又恢復(fù)到銀的常規(guī)熔點(diǎn)，可滿足模塊產(chǎn)品在高溫下正常使用。

圖示2：納米銀燒結(jié)原理示意圖

“低溫?zé)Y(jié)、高溫服役、高熱導(dǎo)率、高連接強(qiáng)度”是納米銀燒結(jié)的主要優(yōu)勢(shì)。相較于傳統(tǒng)的軟釬焊料，納米銀可更有效地提高功率模塊的工作溫度及使用壽命。采用銀燒結(jié)技術(shù)可使模塊使用壽命提高5-10倍，燒結(jié)層厚度較焊接層厚度薄60%-70%，熱傳導(dǎo)率提升3倍。

圖示3：中恒微無壓納米銀燒結(jié)Z62模塊貼裝及X-RAY示意圖

圖示4：中恒微銀燒結(jié)熱阻測(cè)試，RTH=0.06 K/W

圖示5：實(shí)驗(yàn)條件：-40℃/15min~125℃/15min轉(zhuǎn)換時(shí)間＜30s

圖示6：Tj max：130℃，起始溫度：30℃，ΔTj=100℃，ton=2s，toff=4s，500000cycles

結(jié)論：PC 50W次后聲掃確認(rèn)芯片燒結(jié)空洞基本沒有增加。

芯片銅線鍵合技術(shù)

在功率器件開發(fā)技術(shù)中，功率模塊正朝著小型化和高功率密度方向發(fā)展，互連技術(shù)是功率模塊優(yōu)異性能的關(guān)鍵因素。針對(duì)SiC功率器件封裝的高性能和高可靠性要求，另一個(gè)重要的高可靠性先進(jìn)互連工藝就是銅線鍵合技術(shù)。

傳統(tǒng)的Si基半導(dǎo)體芯片正面電極與外部互連采用的是鋁線鍵合技術(shù)，由于鋁線的再結(jié)晶溫度低、電阻率高、屈服強(qiáng)度低等材料本身的局限性，這種連接方式并不能完全發(fā)揮SiC芯片的優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于鋁線而言，銅線比鋁線的電阻率低，直徑400um的銅線可以承受直流約32.5A的電流，比鋁線的載流能力提高了71%。而且銅線熱導(dǎo)率比鋁線高，散熱性能更好。銅線鍵合能夠增強(qiáng)鍵合工藝的可靠性，特別是對(duì)高功率密度、高效散熱的SiC功率模塊，銅線鍵合能夠有效提升其功率循環(huán)能力和可靠性壽命。

圖示7：鋁、銅材料特性對(duì)比示意圖

基于銅線的優(yōu)良特性，以及銅線本身存在的硬度問題，中恒微通過不斷研發(fā)，開發(fā)出兩款適用于芯片表面銅線鍵合的互聯(lián)技術(shù)。

采用銀燒結(jié)技術(shù)輔助，將固定尺寸的銅片燒結(jié)至芯片表面，以滿足銅線鍵合技術(shù)（12mil-20mil）

圖示8：芯片表面燒結(jié)及銅線鍵合技術(shù)示意圖

采用芯片表面銅化技術(shù)，在芯片表面電鍍一定厚度的銅箔，以滿足銅線鍵合技術(shù)(12mil-15mil)

圖示9：芯片鍍銅及銅線鍵合技術(shù)示意圖

針對(duì)市場(chǎng)上對(duì)于高可靠性連接技術(shù)的需求，中恒微將逐步推出采用無壓納米銀燒結(jié)和銅線鍵合技術(shù)的SiC系列功率模塊，電壓等級(jí)為1200V，導(dǎo)通電阻覆蓋2mΩ-22mΩ，可應(yīng)用于電動(dòng)汽車、智能電網(wǎng)、軌道交通等領(lǐng)域。