以碳化硅（SiC）或氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體可在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)速度、更低的損耗和更高的功率密度。隨著功率半導(dǎo)體效率的提高，碳化硅模組周圍材料和組件關(guān)注度越來(lái)越高，因?yàn)樾枰@些產(chǎn)品配套來(lái)進(jìn)一步增加系統(tǒng)性能，并確保WBG芯片能夠充分發(fā)揮其潛力。特別是模組耐溫性能的增加，例如當(dāng)前需要將SiC模塊的散熱要求到175°C及以上，芯片連接、基板和散熱器的機(jī)械和熱性能要求正在不斷提高。

傳統(tǒng)的方法是使用錫焊將芯片連接到支撐基板上，例如直接黏合銅（DBC）和DBC到底板。在本文中，我們將突出一些銀焊合作為錫焊替代品的優(yōu)點(diǎn)。

焊料與燒結(jié)

基于錫 (Sn) 和鉛 (Pb) 的焊料是最常見(jiàn)的芯片粘接材料。ROHS 合規(guī)性要求用銀 (Ag) 和銅 (Cu) 替代鉛。焊接過(guò)程中，焊料顆粒通常在 200°C – 250°C 范圍內(nèi)熔化，并潤(rùn)濕要接觸的表面。

金屬間相是在凝固的冷卻階段形成的。燒結(jié)是一種用低于熔點(diǎn)的粉末制造結(jié)構(gòu)的方法。銀燒結(jié)1于 1990 年首次推出，現(xiàn)在許多公司提供基于各種銀顆粒配方的芯片粘接解決方案。燒結(jié)基于原子擴(kuò)散，如圖 1(a) 所示，在給定時(shí)間內(nèi)結(jié)合使用熱量和壓力來(lái)促進(jìn)向界面的擴(kuò)散。與焊料不同，沒(méi)有相變。

如圖 1(b) 所示，與普通焊料配方相比，銀燒結(jié)焊膏的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及高溫穩(wěn)定性得到了很大改善。低熱膨脹系數(shù) (CTE) 和良好的拉伸強(qiáng)度使其在熱循環(huán)和功率循環(huán)測(cè)試中具有優(yōu)勢(shì)。

圖 2 概述了燒結(jié)類型。壓力輔助燒結(jié)對(duì)于 SiC 功率模塊最為常見(jiàn)。隨著燒結(jié)顆粒的尺寸從微米級(jí)減小到納米級(jí)（即< 1μm），燒結(jié)溫度和時(shí)間可以降低。納米級(jí)壓力可以在 5 至 15 MPa 范圍內(nèi)，溫度從 200°C 至 300°C，時(shí)間從 1 至 10 分鐘。

燒結(jié)漿料的應(yīng)用通常通過(guò)干法放置的模板印刷來(lái)完成。

點(diǎn)膠技術(shù)相對(duì)較新，濕法放置使得該過(guò)程更容易出現(xiàn)錯(cuò)位。芯片轉(zhuǎn)移薄膜 (DTF) 是芯片拾放后的流程，首先通過(guò)初始加熱和加壓步驟將薄膜轉(zhuǎn)移到拾取的芯片上，然后將芯片 + 燒結(jié)薄膜放置在已拾取的芯片上。最后施加熱量和壓力。

許多團(tuán)隊(duì)使用銀燒結(jié)焊料顯著改善了芯片貼裝工藝的溫度循環(huán) (TCT) 和功率循環(huán)壽命。圖 3 顯示了這樣的一個(gè)示例。在 DBC 基板上進(jìn)行的主動(dòng)溫度循環(huán)測(cè)試中，壽命增加了 17。

大面積銀燒結(jié)

在最近舉行的PCIM Europe 2023 會(huì)議上，Heraeus 產(chǎn)品經(jīng)理 Florian Seifert 和壓力燒結(jié)漿料項(xiàng)目負(fù)責(zé)人 Ulla Hauf 博士介紹了他們關(guān)于將銀燒結(jié)漿料用于大面積燒結(jié) (LAS) 應(yīng)用的研究4。

如圖 4 所示，功率模塊組件中的燒結(jié)可用于：

芯片附著到基板上，例如 DCB/DBC 或活性金屬釬焊 (AMB) 氮化硅。這些通常具有鎳金 (Ni/Au) 表面處理。銀遷移是一個(gè)問(wèn)題，特別是對(duì)于高壓燒結(jié)而言，需要仔細(xì)優(yōu)化糊料和燒結(jié)條件以降低這種風(fēng)險(xiǎn)。

例如，在芯片頂部進(jìn)行燒結(jié)可以使銅夾或金屬柱取代傳統(tǒng)的鋁線接合。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，可以在芯片上放置金頂部金屬表面處理。銅箔等后取放芯片頂部系統(tǒng) (DTS)可實(shí)現(xiàn)重型銅線鍵合，與傳統(tǒng)鋁線相比，可提高熱性能和可靠性能。

將基板固定到模塊底板上。由于與裸芯片相比尺寸增加，這帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，尺寸范圍可以從15×20 mm 2到>40×40 mm 2。此應(yīng)用程序可歸類為 LAS。

LAS 面臨的一些具體挑戰(zhàn)包括：

獲得壓力均勻的薄膜：更薄的燒結(jié)膜可以提高整體模塊的導(dǎo)熱率。雖然燒結(jié)在實(shí)現(xiàn)更薄的鍵合層厚度 (BLT) 方面比焊接具有特定優(yōu)勢(shì)，但該厚度需要隨著模塊尺寸的增加而增加，例如，從芯片貼裝中使用的正常 <40-50 μm 增加到 >100-50 μm。150 微米。

高度差會(huì)使這變得更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)榭赡苄枰叩膲毫?，從而增加芯?散熱器機(jī)械完整性的風(fēng)險(xiǎn)。由于基板組件內(nèi)的封裝材料或焊點(diǎn)所施加的限制，干燥過(guò)程的操作窗口可能要小得多。溫度、升溫速率、總時(shí)間和氣氛可能都需要優(yōu)化。

燒結(jié)漿料本身的化學(xué)性質(zhì)可能需要進(jìn)行調(diào)整，以便在上面設(shè)置的操作窗口限制下更好地工作。

成本：Ag壓力輔助燒結(jié)工藝成本較高，而熱界面材料（TIM）具有成本優(yōu)勢(shì)。燒結(jié)和 TIM 的組合有時(shí)可以在成本和性能之間提供良好的折衷。

來(lái)自 Heraeus 的 LAS 流程如圖 5 所示。

LAS 結(jié)果

圖 6 所示的剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果證明了 Ag LAS 流的成功優(yōu)化。與標(biāo)準(zhǔn)芯片貼裝銀燒結(jié)漿料相比，LAS 漿料在測(cè)試的尺寸范圍內(nèi)提高了 40% 以上的剪切強(qiáng)度。

如圖 7 所示，在 1000 mm 2基材上循環(huán) 1,500 次后未觀察到 LAS 漿料分層。

未來(lái)展望

電動(dòng)汽車市場(chǎng)預(yù)計(jì)將強(qiáng)勁增長(zhǎng)，而基于碳化硅的功率模塊將在其中發(fā)揮關(guān)鍵作用，例如牽引逆變器應(yīng)用。與焊料相比，銀燒結(jié)在性能和可靠性方面具有多種優(yōu)勢(shì)。銅燒結(jié)預(yù)計(jì)將在未來(lái)的應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用，與銀相比，其耐熱性、抗遷移性和潛在成本優(yōu)勢(shì)得到改善。到 2030 年，LAS 目標(biāo)市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到1.7億美金。

審核編輯：湯梓紅