碳化硅和宽禁带器件的理想封装设计

日期:2018-07-02

对最苛刻电源开关应用的功率分立和模块封装趋势和机会
作者:Paul Koep, Alpha Assembly Solutions
引入改进的半导体器件,即宽禁带类型,例如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),将实现性能更高的功率开关应用,尤其是在汽车牵引逆变器的应用中。
在低损耗、高频开关和/或高温环境的功率应用中,SiC功率半导体技术比传统硅基器件提供了显著的优势。例如,SiC的介电强度电压大约是硅的10倍。低损耗是性能比的关键,SiC技术可以将功率损耗降低到五倍。
这些技术的一些优点已经被证明和部署,特别是在独立充电站应用(高电压)和最近的牵引逆变器组件(高温、高开关频率)中的碳化硅,已成为汽车电气化领域中真正的“杀手应用”。
随着业绩大幅提升的潜力,行业的挑战依然存在。可以部署什么新的封装创新,以实现这些有前途的半导体器件的全部性能优势?
改进的功率模块封装设计的第一步甚至在出现SiC之前,涉及在陶瓷衬底上使用直接绑定的铜,例如氧化铝和氮化铝,以代替纯铜制成的材料。这些陶瓷基板表现出显著更低的热膨胀系数(CTE)特性,同时仍然提供合理的导热率。
如图1a和图1b所示,CTE可以通过调整铜的厚度相对于内芯氧化铝的厚度来修改,例如,产生79ppm /°C,这为安装低CTE半导体管芯提供了更好的匹配。通过这样做,总CTE失配——芯片到衬底——现在是3-7ppm,而不是13-15ppm,这是安装在铜引线框架上的半导体芯片的情况。直接键合铜(DBC)基板的使用在当今多芯片电源模块系统中非常常见,但是铜引线框架也被选择性地使用,特别是对于单芯片器件。
 


图1a和1b:在DBC衬底中陶瓷和铜厚度的变化
 
 
另一个最近的发展是使用铝作为陶瓷上的金属化物(称为DBA)。提供这些材料的供应商要求相比铜金属化改进的热循环性能。
如图2所示,蚀刻陶瓷衬底顶金属化以形成物理电路,其可以接受芯片附着,接着是顶线键合。
 

图2:陶瓷基底上蚀刻的直接键合铜
 
ENIG基片精加工也很常见,它在片芯连接过程之前提供坚固的表面保护,其通常由焊料回流组成。典型焊料包括用于片芯连接的高铅,以及附着在模块散热器上的基板底部低熔点焊料。
在无铅方面,SnSbX合金由于其优异的抗蠕变性和可接受熔体温度而得到应用。两步焊接和一步焊接工艺很常见,通常在还原环境中,有时借助真空来去除空隙。夹具被用来控制键合厚度和最小化片芯倾斜。焊料预制件的使用具有内置粘合线控制特性,例如Alpha的TrueHeight产品也可作为广泛的夹具替代品。
这些类型的功率模块,如这里所描述的,对于所有类型大功率AC电机控制应用来说都是通用的,一个很好的例子是电动列车推进。
以类似的方式,单芯片或双芯片封装,如IGBT二极管对,历史上使用了重型铜引线框架,以及用于电源连接的顶线键合及控制。
如图3所示,铝绞线可以用铜夹代替,以改善片芯冷却。这种配置还提供了改进的热循环性能。
 

图3:铝线接合顶部电源连接(左)和改进的冷却铜顶夹(右)
 
与单芯片封装一样,用更坚固的顶侧连接代替铝线键的模块实现了额外的芯片冷却、更大的电流密度和改进的功率循环。IGBT二极管模块的双面冷却是在15年前提出的,并且已经在许多混合动力电动汽车用的汽车牵引逆变器组件中得到了应用。在基于DBC氧化铝或氮化铝的模块中,顶层连接也用相同的材料实现,从而形成夹层结构。典型实施方式取决于上侧片芯接触面积,可以导致模块的热阻降低30%。
双面冷却模块可能需要能够为非功率取向的线键提供间隙的功能,例如小栅极和电流感测垫。在这些情况下,或者当需要在高电压应用中确保衬底之间的最小气隙时,使用间隔件。间隔件可以由导热和导电材料如铜制成,但由于常规硅的尺寸大小相当大,12mm×12mm,当使用大铜片与铜和接触表面之间只有相对薄的焊料接合线时,存在CTE不匹配的问题。在这里,间隔物可行的替代解决方案包括复合材料,如铜钼和层压板,如铜殷钢铜,或铜钼铜。这些材料的热导率足够高,CTE是直接片芯连接的更好匹配。
图4示出了与铜相比具有较低CTE的层压材料的横截面。
 

图4:铜钼铜复合材料
 
为了确保焊料连接的足够的功率循环性能和寿命,电流负载分布在多个片芯上,降低了每个片芯的电流密度。虽然这种方法需要更多的器件用于给定的功能,但需要降额以确保坚固的安装产品寿命。
随着工业向宽频带器件(如SiC)过渡,这些器件的影响将是影响新模块可靠性、性能和成本的关键因素。SiC在更高的工作温度下更有效,理想的封装设计应支持这一事实,以提高改进的效率。
硅和碳化硅一起部署的最有前途的附着材料之一是烧结银。
如图1所示,银是一种近乎理想的附着材料,但其熔点使其作为回流金属被禁止使用。然而,它具有非常高的热导率,并且具有吸引力低的电阻率。所有这些特性都优于焊料,包括功率循环能力,稍后将讨论。
 

 
烧结银的关键是使用纳米颗粒,其在类似于回流焊的温度下熔化,需要在适度压力的帮助下。烧结后的密度为85%,导热系数达到200-300 W/mK。此外,由于纳米银还可烧结到衬底和衬底金属化,界面损耗非常低。
一项研究表明,烧结银附着材料可以为功率器件提供显著的性能优势。对IGBT -二极管(TO247封装)和类似封装和使用双烧结实现的封装组合构成的焊接和顶边键合硅对硅片芯对进行了比较。烧结封装能够开关200 A,与钎焊设备相比,其额定功率为130A。功率循环提高了15倍的烧结量,烧结封装在150k 15s循环后仍在运行,关闭为15s 100C Tj。
这种类型的性能和耐久性可以立即对现有硅芯片实现,同时包括更大程度使用SiC技术的设置阶段。此外,烧结银可以支撑SiC显著较高的操作温度,因为烧结银稳定至银的熔点,为962℃。
SiC技术的另一个显著优点是当开关相同的电流时,比硅的片芯尺寸硅小得多。
由于烧结银不同类型的大批量生产应用已经增长,材料类型也随之增加。虽然最初的烧结银应用依赖于银纳米浆料,薄膜和预成型体已经成为可行的产品类型,这实现了新的制造工艺。晶圆级层压现在是可行的纳米银膜。一旦晶圆被层叠,晶圆可以用标准设备切割。还开发了一种替代工艺,其可以层叠晶圆中的单个片芯,并立即烧结在靶衬底上。这被称为片芯转移膜工艺。DTF的优点是,只有已知良好的片芯被层压和烧结,这可以在使用SiC时提供显著的优点,这可能在新的晶圆制造线的启动阶段产生产量问题。
 
总结
在功率模块设计中使用诸如DBC氧化铝和DBA氧化铝,以及利用顶部和底部衬底实现双面冷却材料具有优势。为了实现碳化硅技术的全部优点,正在部署新的烧结连接材料,如烧结银,使操作温度更高,电流密度增加,并能显著延长功率循环性能。这些进步将产生更小、更轻、更强大的逆变器设计,适用于新一代牵引逆变器产品的汽车和其他用途。
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