未來(lái)SiC模塊封裝的演進(jìn)趨勢(shì)

SiC MOSFET 器件的集成化、高頻化和高效化需求，對(duì)功率模塊封裝形式和工藝提出了更高的要求。本文將從互聯(lián)、燒結(jié)技術(shù)以及材料方面介紹未來(lái) SiC 模塊封裝的演進(jìn)趨勢(shì)。

1. 在互聯(lián)、燒結(jié)技術(shù)方面

內(nèi)部互聯(lián)技術(shù)將從鋁線鍵合/超聲焊接將改用銅線方式形式，芯片/襯板燒結(jié)方式將采用銀燒結(jié)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng) Pb/Sn 合金焊。

銀燒結(jié)工藝燒結(jié)體具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、高粘接強(qiáng)度和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。用該工藝燒結(jié)的納米銀燒模塊可長(zhǎng)期工作在高溫環(huán)境；另外銀燒結(jié)工藝會(huì)在芯片燒結(jié)層形成可靠的機(jī)械連接和電連接，半導(dǎo)體模塊的熱阻和內(nèi)阻均會(huì)降低，提升模塊性能及可靠性。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。

目前銀燒結(jié)技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外第三代半導(dǎo)體封裝技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)。國(guó)內(nèi)外諸多廠商把銀燒結(jié)技術(shù)作為第三代半導(dǎo)體封裝的核心技術(shù)，同時(shí)在此基礎(chǔ)上開發(fā)出雙面銀燒結(jié)技術(shù)，并將銀帶燒結(jié)在芯片正面代替了鋁線，或取消底板將基板直接燒結(jié)在散熱器上，大大簡(jiǎn)化了模塊封裝的結(jié)構(gòu)。目前銀燒結(jié)技術(shù)已經(jīng)由微米銀燒結(jié)進(jìn)入納米銀燒結(jié)階段，納米銀燒結(jié)與微米銀燒結(jié)技術(shù)相比連接溫度和輔助壓力均有明顯下降，極大擴(kuò)大了工藝的使用范圍。

Model3 的 SiC 單管與散熱器的焊接采用銀燒結(jié)的方式。2006 年英飛凌推 出了 Easypack1 的封裝形式，分別采用單面銀燒結(jié)技術(shù)和雙面銀燒結(jié)技術(shù)。2015 年，三菱電機(jī)采用銀燒結(jié)技術(shù)制作功率模塊，循環(huán)壽命是軟釬焊料的 5 倍左右。

國(guó)內(nèi)方面，斯達(dá)半導(dǎo) T6 系列汽車級(jí)的單管，1200V 和 750V 兩款產(chǎn)品芯 片也將采用的銀燒結(jié)工藝；雙面冷卻的 N3 和 N7 系列，2022 年底也有望推出相應(yīng)的碳化硅的版本數(shù)量，結(jié)構(gòu)同樣采用雙面銀燒結(jié)技術(shù)。其他如芯聚能、利普思等 SiC 模塊廠商也在積極布局銀燒結(jié)封裝工藝。

伴隨銀燒結(jié)工藝成本逐步下降，將會(huì)拉動(dòng)銀燒結(jié)的材料和機(jī)臺(tái)設(shè)備的市場(chǎng)需求。博世曼科技幫助特斯拉完成早期的碳化硅模塊的組裝，其中燒結(jié)、焊接、引線鍵合、成型、修整和成型都由其完成。2022 年 4 月 Boschman 被蘇州 寶士曼半導(dǎo)體設(shè)備有限公司收購(gòu)，并且將在蘇州建廠。

ASMPT 太平洋科技有限公司是全球領(lǐng)先的先進(jìn)半導(dǎo)體封裝設(shè)備及微電子封裝解決方案的最主要的供應(yīng)商，SilverSAM 銀燒結(jié)設(shè)備具備專利防氧化及均勻壓力控制技術(shù)，除確?；靖邚?qiáng)度燒結(jié)鍵合，對(duì)應(yīng)導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的要求外，更能提高 IPM 芯片密度的設(shè)計(jì)，并配合未來(lái)銅燒結(jié)鍵合的方向，有效幫助 SiC 模塊充分發(fā)揮高功率的性能。

國(guó)產(chǎn)設(shè)備在該環(huán)節(jié)也已出現(xiàn)部分替代。2021 年深圳市先進(jìn)連接科技有限公司的 AS（Ag-Sintering）系列燒結(jié)設(shè)備就成功中標(biāo)“比亞迪半導(dǎo)體股份有限公司-燒結(jié)設(shè)備采購(gòu)項(xiàng)目”。除此之外，嘉源昊澤、拓鼎電子等半導(dǎo)體設(shè)備公司也正在研發(fā)中。

2.在材料方面

襯板從氧化鋁升級(jí)到氮化硅、氮化鋁、AMB 厚銅襯板，塑封取代傳統(tǒng)灌膠。傳統(tǒng)的 HPD 使用氧化鋁材料，優(yōu)點(diǎn)在于價(jià)格便宜、供應(yīng)量充足，缺點(diǎn)在于散熱能力較差。新型基材主要是氮化硅、氮化鋁材料、AMB 厚銅襯板。氮化鋁一般用于工業(yè)領(lǐng)域，氮化硅常用于汽車領(lǐng)域，AMB 厚銅襯板用在車載 SiC 領(lǐng)域。

對(duì)于模塊的散熱結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，襯板的選擇尤為重要，目前主流的功率半導(dǎo)體模塊封裝主要還是用 DBC（直接鍵合銅）陶瓷基板，AMB 的熱導(dǎo)率比 DBC 氧化鋁高 3 倍，且機(jī)械強(qiáng)度及機(jī)械性能更好。隨著碳化硅功率模塊的應(yīng)用逐漸成熟， AMB 有望逐漸成為電子模塊封裝的新趨勢(shì)。此外，塑封模塊相較于 hybridpack 模塊的優(yōu)勢(shì)具有低雜散電感、高可靠等特性。

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審核編輯：黃飛

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