【導讀】SiC芯片可以高溫工作，與之對應的連接材料和封裝材料都需要相應的變更。三菱電機高壓SiC模塊支持175℃工作結溫，其封裝技術(shù)相對傳統IGBT模塊封裝技術(shù)做了很大改進(jìn)，本文帶你詳細了解內部的封裝技術(shù)。
SiC芯片可以高溫工作，與之對應的連接材料和封裝材料都需要相應的變更。三菱電機高壓SiC模塊支持175℃工作結溫，其封裝技術(shù)相對傳統IGBT模塊封裝技術(shù)做了很大改進(jìn)，本文帶你詳細了解內部的封裝技術(shù)。
為了實(shí)現低碳社會(huì )，能夠高效電能變換的電力電子技術(shù)正在擴展到消費、工業(yè)、電氣化鐵路、汽車(chē)、太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等各個(gè)領(lǐng)域。其中，功率模塊在控制電流方面發(fā)揮著(zhù)重要作用，需要減少運行過(guò)程中的損耗，減小封裝尺寸，并提高功率密度。近年來(lái)備受關(guān)注的SiC（碳化硅）與以往的Si（硅）相比具有高速開(kāi)關(guān)且低損耗的特點(diǎn)，能夠飛躍性地提高性能，因此被期待為下一代的功率器件。此外，由于SiC能夠高溫工作，因此可以通過(guò)減小封裝尺寸來(lái)促進(jìn)功率單元的小型化，但為此，需要開(kāi)發(fā)能夠應對高溫工作的封裝材料和結構。
在封裝開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們提高了鍵合材料和灌封材料等各部件的耐熱性，并開(kāi)發(fā)了對應的工藝技術(shù)，特別是提高了對溫度循環(huán)壽命有影響的鍵合部位的可靠性，實(shí)現了高質(zhì)量和高可靠性。通過(guò)應用這些技術(shù)，我們開(kāi)發(fā)了一種支持芯片工作溫度（Tjop）175℃高溫運行的封裝。
圖1顯示了開(kāi)發(fā)的高溫工作全SiC功率模塊（FMF185/375/750DC-66A）的封裝外觀(guān)，圖2顯示了主要結構（示意圖）。作為支持175℃高溫運行的封裝結構，在底板上使用耐高溫焊錫來(lái)連接耐高溫絕緣基板，在絕緣基板上使用Ag燒結技術(shù)鍵合芯片。芯片上面的電極和絕緣基板金屬層用Al線(xiàn)連接，與外部電氣連接的電極與絕緣基板金屬層進(jìn)行US鍵合。外殼安裝在底板上，內部填充了耐高溫灌封材料。
圖1：適用于高溫工作的封裝外觀(guān)
圖2：高溫運行封裝截面圖
當考慮芯片的高溫運行時(shí)，由于傳統焊料在芯片鍵合時(shí)的物理限制，因此需要新的鍵合材料和合適的工藝。本公司開(kāi)發(fā)了使用Ag粒子燒結鍵合工藝，實(shí)現了耐高溫、高品質(zhì)化。
Ag燒結連接工藝進(jìn)行多個(gè)芯片的批量鍵合。因此，在高溫工作封裝中，相對于以往封裝，芯片尺寸縮小，研究了在4×3的芯片排列中高密度化統一鍵合。圖3顯示了通過(guò)Ag燒結進(jìn)行批量鍵合后的SAT（Scanning Acoustic Tomography）圖像，圖4顯示了鍵合截面圖像。從SAT圖像和截面圖像的結果來(lái)看，鍵合處沒(méi)有空隙或龜裂等，可以確認鍵合狀態(tài)良好。因此，在高溫工作封裝中，通過(guò)Ag燒結實(shí)現了芯片的高密度化和高質(zhì)量的鍵合。
圖3：Ag燒結批量鍵合后的SAT圖像
圖4：Ag燒結后的橫截面圖像
過(guò)去一直使用AlN（氮化鋁）陶瓷的絕緣基板，此次研究了采用Si3N4（氮化硅）陶瓷的耐高溫絕緣基板作為新材料。為了評價(jià)耐高溫性能，對AlN絕緣基板和Si3N4絕緣基板實(shí)施溫度循環(huán)試驗，使溫度變化為-40~175℃（ΔT=215K），對陶瓷部分和基板金屬層的鍵合部裂紋變化進(jìn)行檢測、確認。結果，如圖5所示，AlN絕緣基板的陶瓷部分出現龜裂，而Si3N4絕緣基板在600個(gè)循環(huán)后也未發(fā)生龜裂，實(shí)現了耐高溫、高可靠性。
圖5(a)：溫度循環(huán)測試后的絕緣基板截面圖-AlN基板
圖5(b)：溫度循環(huán)測試后的絕緣基板截面圖-Si3N4基板
連接絕緣基板和底板的焊料必須保持鍵合處無(wú)裂紋，以保證對基板的散熱，防止芯片過(guò)熱。因此，我們研究選擇了耐久性、耐熱性的RoHS焊錫材料。對于耐高溫焊料，在表1所示的混合元素基礎上添加了多種元素，以提高鍵合壽命，使其符合絕緣基板和底板的機械物理性能。使用選定的焊料，將Si3N4絕緣基板和底板連接起來(lái)，并進(jìn)行了溫度循環(huán)試驗，其中溫度變化為-40~175℃（ΔT=215K）。結果，即使在600次循環(huán)后，也沒(méi)有觀(guān)察到鍵合處出現裂紋，并驗證了它可以作為耐高溫焊料使用（圖6）。
表1：耐高溫焊錫材料的主要混合元素和效果
圖6：溫度循環(huán)測試后的焊接層截面圖
傳統用于電氣連接到外部的電極是使用焊料鍵合到絕緣基板金屬層。然而，隨著(zhù)功率密度的增加，由于電極電阻成分引起的發(fā)熱和電極與基板金屬的鍵合部分溫度上升成為問(wèn)題，因此需要提高高溫循環(huán)下的鍵合壽命。因此，我們利用US（超聲波）焊接技術(shù)將電極與基板金屬直接鍵合在一起，并通過(guò)去除焊料提高了鍵合強度，從而在高溫循環(huán)中提高了電極與絕緣基板的鍵合壽命。
為了實(shí)現功率模塊的更高工作溫度，我們不斷開(kāi)發(fā)器件封裝技術(shù)。表2顯示了從傳統封裝到高溫運行封裝的技術(shù)。除了引進(jìn)Ag燒結鍵合、耐高溫絕緣基板、耐高溫焊錫材料、電極US鍵合相關(guān)技術(shù)外，為支持高溫運行功率模塊的商業(yè)化，創(chuàng )新的封裝設計、材料及制造工藝的開(kāi)發(fā)是至關(guān)重要的。
表2：傳統封裝與高溫運行封裝的區別
今后，本公司將以多年積累的功率模塊封裝技術(shù)及量產(chǎn)技術(shù)為基礎，加速開(kāi)發(fā)新一代高溫運行且高品質(zhì)的功率模塊，同時(shí)繼續推進(jìn)商業(yè)化，為實(shí)現環(huán)保及節能社會(huì )做出貢獻。
文章來(lái)源：三菱電機半導體
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
健康監測的下一個(gè)突破點(diǎn)？超精確溫度傳感技術(shù)！
