高性能功率器件的封裝

功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)探究

1.功率半導(dǎo)體模塊的封裝結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)代功率半導(dǎo)體產(chǎn)品中，普遍采用覆銅陶瓷（DBC）作為電氣絕緣和熱傳導(dǎo)介質(zhì)，輔以環(huán)氧樹(shù)脂塑封保護(hù)，以承載和散熱半導(dǎo)體芯片。DBC基底常用材料包括氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）和氮化硅（Si3N4），其中鋁基和硅基DBC板在工業(yè)應(yīng)用中最受歡迎。由于第三代半導(dǎo)體如硅碳（SiC）在結(jié)溫、開(kāi)關(guān)速率以及封裝密度方面超越傳統(tǒng)硅基器件，要求更高的散熱和可靠性，這就促使了新型封裝設(shè)計(jì)的研發(fā)，使其適應(yīng)更高的工作溫度。

（1）無(wú)鍵合線單面封裝結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的金屬鍵合線封裝會(huì)增加寄生電感而影響開(kāi)關(guān)特性和可靠性。新型封裝結(jié)構(gòu)采用了無(wú)鍵合線設(shè)計(jì)，利用銅釘替代傳統(tǒng)鍵合線，減少寄生電感并實(shí)現(xiàn)互連。此外，使用軟硅膠與硬環(huán)氧樹(shù)脂相比較，能減少熱循環(huán)中的應(yīng)力，銀顆粒燒結(jié)替代傳統(tǒng)釬料，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的功率循環(huán)壽命和更小的模塊體積。

（2）雙面散熱封裝結(jié)構(gòu)

封裝結(jié)構(gòu)的進(jìn)步，如使用液冷等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了雙面散熱，有效減少了熱阻，提升可靠性。例如，利用微型柔性壓針“Fuzz Button”技術(shù)或是DBC技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片的雙面散熱，這些創(chuàng)新方法都展示了封裝結(jié)構(gòu)在散熱方面的優(yōu)化潛力。

（3）多層陶瓷基板堆疊技術(shù)

為降低高功率密度設(shè)備中的高電場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，提出使用DBA板替代DBC板，并通過(guò)多重層疊與焊接技術(shù)減少峰值電場(chǎng)，同時(shí)促進(jìn)更好的散熱效果，提升模塊的整體性能與效率。

2.芯片貼裝技術(shù)的革新

新型高溫耐用貼裝料如金屬燒結(jié)料替代傳統(tǒng)釬料或?qū)щ娔z，在保持優(yōu)異導(dǎo)電性和強(qiáng)固接合的同時(shí)，承受更高的工作溫度和更多的熱循環(huán)，這為高性能半導(dǎo)體器件如SiC的應(yīng)用需求提供了解決方案。

3.進(jìn)階的引線鍵合技術(shù)

考慮到熱膨脹等物理特性，引線材料的選擇對(duì)模塊可靠性有決定性影響。銅因其高電導(dǎo)率及與芯片熱膨脹系數(shù)的兼容性而越發(fā)受到青睞，但銅線連接需要更高的壓力和能量。同時(shí)，鋁銅合金鍵合線以其優(yōu)秀的電氣性能和適合批量生產(chǎn)的特性，成為一個(gè)成本效益高、可靠性強(qiáng)的過(guò)渡選擇。

評(píng)估功率半導(dǎo)體器件可靠性的功率循環(huán)測(cè)試探究

電力電子組件的可靠性測(cè)試是確保其長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。與其他測(cè)試方式如溫度循環(huán)試驗(yàn)相比，功率循環(huán)測(cè)試能更真實(shí)地模擬器件工作狀態(tài)，通常將器件固定在散熱器上，通過(guò)周期性電流施加和斷開(kāi)，引發(fā)器件結(jié)溫的周期性變化來(lái)模擬器件工作中的溫度波動(dòng)，從而評(píng)估其可靠性。

1.功率循環(huán)測(cè)試的關(guān)鍵技術(shù)

（1）測(cè)試參數(shù)及其控制方法

常用的功率循環(huán)測(cè)試策略側(cè)重于控制結(jié)溫變化和最大結(jié)溫。歐洲AQG 324標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)QCT 1136—2020標(biāo)準(zhǔn)提出了秒級(jí)和分鐘級(jí)的劃分，來(lái)評(píng)估不同位置的連接可靠性。電流激勵(lì)方法包括直流功率循環(huán)電路和脈沖寬度調(diào)制（PWM）。目前，由于簡(jiǎn)便性和結(jié)溫測(cè)量準(zhǔn)確性，直流方法被廣泛采用。

在控制策略方面，嚴(yán)苛性控制策略例如固定電流導(dǎo)通時(shí)間ton、殼溫變化量、功率損耗和結(jié)溫變化對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響極大。歐洲標(biāo)準(zhǔn)傾向于采用固定ton作為標(biāo)準(zhǔn)控制策略，而國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)通常保持結(jié)溫變化一致。此外，結(jié)溫測(cè)量的延遲也對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生重要影響，需要精確定時(shí)以避免誤差。

（2）參數(shù)監(jiān)測(cè)與失效判別

IGBT為例，監(jiān)測(cè)故障模式涉及到熱阻和飽和壓降的變化。監(jiān)測(cè)技術(shù)包括紅外相機(jī)、熱電偶和溫敏電參數(shù)法等。為了更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)結(jié)溫，常用溫敏電參數(shù)法通過(guò)測(cè)量小電流下的飽和壓降和柵極閾值電壓，并與已知的溫度特性相結(jié)合。特別是SiC材料器件，需考慮其固有的閾值電壓不穩(wěn)定性，使用特殊方法來(lái)獲取準(zhǔn)確的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)。

2.功率模塊失效機(jī)理研究

（1）釬料層失效研究

釬料層疲勞失效主要表現(xiàn)為空洞和裂紋，斑點(diǎn)的形成會(huì)導(dǎo)致熱阻增加，并隨著功率循環(huán)加劇。研究表明，空洞的形成會(huì)影響模塊的溫度分布。裂紋生長(zhǎng)對(duì)釬料層熱阻有顯著影響，研究還針對(duì)裂紋的成因、大小、位置進(jìn)行了深入分析。

（2）鍵合線失效研究

鍵合線失效表現(xiàn)為斷裂和脫落，是因?yàn)闇夭钜鸬臒釕?yīng)力導(dǎo)致的。VCE作為監(jiān)控指標(biāo)，呈現(xiàn)出與鍵合線裂紋生長(zhǎng)具有相似的增長(zhǎng)趨勢(shì)。進(jìn)一步的研究聚焦于裂紋生長(zhǎng)對(duì)器件參數(shù)的影響。

半導(dǎo)體封裝可靠性發(fā)展探究

1.提升功率器件的散熱能力.發(fā)揮高性能功率器件的潛力，提高器件的散熱能力是必然趨勢(shì)。在封裝結(jié)構(gòu)方面，設(shè)計(jì)無(wú)鍵合線的多維散熱結(jié)構(gòu)，降低寄生電感、增加散熱路徑；在材料方面，在不改變整體性能的基礎(chǔ)上，選取導(dǎo)熱性能更好的材料。

2.提高功率循環(huán)中結(jié)溫測(cè)量的準(zhǔn)確性。高性能功率器件帶來(lái)不可忽視的結(jié)溫梯度，但目前功率循環(huán)試驗(yàn)中的常用的結(jié)溫測(cè)量方式得到的都是平均結(jié)溫。為了更好的研究器件失效的過(guò)程，有必要設(shè)計(jì)一種可以在線準(zhǔn)確獲得結(jié)溫梯度的方法。

3.研究新型封裝結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理。關(guān)于新型封裝結(jié)構(gòu)失效機(jī)理的研究尚不多見(jiàn)，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)研究有利于為新封裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和改進(jìn)提供思路。

分析多方面因素綜合作用下的功率器件失效過(guò)程和機(jī)理。半導(dǎo)體模塊在實(shí)際的工作中不僅涉及熱應(yīng)力，同時(shí)還受振動(dòng)、濕度等因素影響，現(xiàn)有研究主要集中在溫度對(duì)器件可靠性的影響，較少分析多種因素共同作用下的失效機(jī)理。半導(dǎo)體封裝可靠性相關(guān)理論基礎(chǔ)還不完善，目前還屬于先設(shè)計(jì)再模擬，最后測(cè)試的傳統(tǒng)研發(fā)流程，確定一個(gè)新的、更高性能的封裝方式試錯(cuò)成本比較高，全流程可靠性數(shù)字化是半導(dǎo)體制造商急需的，側(cè)面表現(xiàn)出半導(dǎo)體封裝可靠性研究的重要性。