翠展微電子TPAK SiC系列解決方案

翠展微電子

GRECONSEMI

隨著新能源汽車、光伏等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，加速了第三代半導體器件的實際應用，這對模塊封裝的可靠性提出了更高的挑戰(zhàn)。在IGBT的封裝失效模式中，焊料的疲勞與鍵合線故障導致的失效是器件失效的主要原因。在IGBT多層結(jié)構(gòu)中，芯片下方的散熱通道是散熱的主要途徑，芯片下焊料是其中的重要組成部分，也是最容易發(fā)生焊料疲勞退化的位置。

IGBT模塊多層結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)釬焊料熔點低、導熱性差，在工作期間產(chǎn)生的熱循環(huán)過程中，由于材料間CTE差異，在材料間產(chǎn)生交變的剪切熱應力，在應力的連續(xù)作用下，容易導致焊料層疲勞老化、產(chǎn)生裂紋，進而發(fā)展為材料分層，由于裂紋和分層的產(chǎn)生，焊料層與各層材料間的接觸面積減小，熱阻變大，加速了焊料層的失效，難以滿足車規(guī)高功率SiC器件封裝的可靠性及其高溫應用要求。

芯片下焊料層疲勞

鍵合線材料的選擇上因為鋁及其合金價格低、熱導率高，25℃時為237（W/mK），鋁線鍵合是目前模塊封裝中應用最廣泛的一種芯片互連技術。但由于鋁的熱膨脹系數(shù)23.2×10-6K-1與硅芯片的熱膨脹系數(shù)4．1×10-6K-1相差較大，在長時間的功率循環(huán)過程中容易產(chǎn)生并積累熱應力，引起鍵合線斷裂或鍵合接觸表面脫落，導致模塊失效。在電流輸出能力要求較高的情況下，芯片表面鍵合引線的數(shù)目過多，會引起較大的雜散電感，同時對電流均流也有一定影響。

鍵合鋁線脫落失效

為解決高功率密度車用模塊中芯片下焊料疲勞與鍵合線故障問題，翠展微電子針對Tpak SiC系列封裝提出了一個創(chuàng)新解決方案，銀漿燒結(jié)+銅Clip方案。芯片與AMB間的連接方式采用銀漿燒結(jié)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊料。銀的熔點高達961℃，不會產(chǎn)生熔點小于300℃的軟釬焊連接層中出現(xiàn)的典型疲勞效應，大幅提高了模塊的功率循環(huán)能力。同時芯片上表面用leadframe一體化的銅Clip替代鋁線鍵合，減小了模塊內(nèi)部的雜散電感，提升了芯片表面電流的均流性，增強了模塊整體的過流能力。銅比鋁更優(yōu)異的導熱能力也提升了模塊整體的散熱能力。有效的提升了模塊整體的出流能力和可靠性。

Tpak結(jié)構(gòu)模型

按照AQG-324標準，獲取模塊在隨機激勵條件下的振動頻率，研究Clip方案模塊被迫抵抗外部隨機振動的能力與結(jié)構(gòu)設計合理性。

激勵條件（寬帶隨機激勵）

PSD功率密度頻譜

仿真結(jié)果-應力分布

根據(jù)仿真結(jié)果，模塊整體應力較小，最大應力出現(xiàn)在與塑封體相交的銅排端子處部位，其中最大應力不超38MPa，安全系數(shù)取1.35，滿足安全使用條件。

仿真結(jié)果-疲勞壽命

在對應PSD頻譜作用下，模塊最易損壞的部分是與塑封相交的銅排端子處部位，與模型的應力分布相吻合，其中模塊最低壽命為9.9×104s滿足22h要求。

電感部分對模塊整體電感進行仿真，仿真結(jié)果模塊電感4.9nH滿足設計要求。

仿真結(jié)果-電感

前期驗證考慮芯片最大結(jié)溫是否滿足芯片耐受溫度。使用軟件PLECS，依據(jù)數(shù)據(jù)手冊計算相應芯片損耗，根據(jù)熱仿真結(jié)果芯片最高溫度小于140℃，滿足設計要求。

仿真結(jié)果-溫度分布

總的來說，翠展微電子Tpak器件系列采用銀燒結(jié)和Clip技術實現(xiàn)了高可靠性、低熱阻、低雜散電感器件設計。銀燒結(jié)技術使用銀漿替代傳統(tǒng)焊料，降低模塊整體熱阻，提高芯片和AMB互連的可靠性，有效增強模塊的功率循環(huán)能力。Clip技術利用Leadframe一體化的銅排代替鍵合鋁線，可以有效的減小模塊內(nèi)部雜散電感，擁有更高的電流輸出能力的同時可以增強芯片的散熱，提高模塊的可靠性。

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