針對(duì)要求最嚴(yán)苛的功率開關(guān)應(yīng)用的功率分立元件和模塊的封裝趨勢(shì)，從而引入改進(jìn)的半導(dǎo)體器件。即碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬帶隙類型，將顯著提高功率開關(guān)應(yīng)用的性能，尤其是汽車牽引逆變器等應(yīng)用中。
在需要低損耗、高頻開關(guān)或高溫環(huán)境的功率應(yīng)用中，碳化硅陶瓷基板功率半導(dǎo)體技術(shù)與傳統(tǒng)硅基器件相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。例如，Sic的介電強(qiáng)度電壓大約是硅的10倍，低損耗對(duì)性能比至關(guān)重要，而SiC技術(shù)可將功率損耗降低多達(dá)五分之一。

這些技術(shù)的一些優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到證明和部署，特別是碳化硅在獨(dú)立充電站應(yīng)用（高壓），以及最近在牽引逆變器組件（高溫、高開關(guān)頻率）中的應(yīng)用，成為真正在汽車電氣化領(lǐng)域。憑借大幅提高性能的潛力，該行業(yè)仍然要面臨挑戰(zhàn)，可以部署哪些新的封裝創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)這些有前途的半導(dǎo)體器件的全部性能優(yōu)勢(shì)？
在改進(jìn)功率模塊封裝設(shè)計(jì)的第一步，甚至在碳化硅出現(xiàn)之前就涉及在陶瓷基板上使用直接鍵合銅，例如氧化鋁和氮化鋁以取代用純銅制成的基板。這些陶瓷基板表現(xiàn)出顯著較低的熱膨脹系數(shù)（CTE）特性，同時(shí)仍提供合理的導(dǎo)熱性。

如圖1a和1b所示，可以通過調(diào)整銅的厚度相對(duì)于內(nèi)核氧化鋁的厚度來修改CTE。例如達(dá)到7-9ppm/攝氏度，這為安裝提供了更好的匹配低CTE半導(dǎo)體模具。通過這樣做總的CTE失配（芯片與基板）現(xiàn)在為3-7ppm，而不是安裝到銅引線框架的半導(dǎo)體芯片的情況下的13-15ppm，直接鍵合銅DBC陶瓷基板在當(dāng)今的多芯片電源模塊系統(tǒng)中非常普遍，但也有選擇性地使用銅引線框，尤其是單芯片器件。

另一個(gè)最近的發(fā)展是使用銅作為陶瓷上的金屬化，與銅金屬化相比，它們的熱循環(huán)性能有所提高。如圖2所示，陶瓷基板頂部金屬化被蝕刻以形成物理電路，該電路可以接受芯片連接，然后是頂部引線鍵合。而基板表面處理也很常見，它可以在通常包括回流焊的芯片貼裝工藝之前提供強(qiáng)大的表面保護(hù)，典型的焊料包括使用高鉛用于芯片連接，以及用于基板底部連接到模塊散熱器的較低熔點(diǎn)焊料。

以類似的方式，單管芯片或雙管芯片封裝（例如IGBT二極管）對(duì)使用重型銅引線框和用于電源連接和控制的頂部焊線。如圖3所示，鉛焊線可以用銅夾代替，以改善芯片冷卻。這種配置還提供改進(jìn)的熱循環(huán)性能。與單芯片封裝一樣，用更穩(wěn)健的頂部連接取代鋁焊線的模塊實(shí)現(xiàn)了額外的芯片冷卻、更大的電流密度和改進(jìn)的功率循環(huán)。15多年前就提出了IGBT二極管模塊的雙面冷卻，并已在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車使用的許多汽車牽引逆變器組件中得到部署。

在基于DBC氧化鋁和氮化鋁的模塊中，頂部連接也使用相同的材料實(shí)現(xiàn)。根據(jù)頂側(cè)芯片接觸面積，典型的實(shí)施可以使模塊的熱阻降低30%。雙面冷卻模塊可能需要能夠?yàn)榉枪β蕦?dǎo)向焊線提供間隙的功能，例如小型柵極和電流感應(yīng)焊盤。在這些情況下，當(dāng)需要確保在較高電壓應(yīng)用中基板之間的氣隙最小時(shí)會(huì)使用間隔物。墊片可以由導(dǎo)熱和導(dǎo)電材料制成例如銅，但由于傳統(tǒng)硅的芯片尺寸可能非常大12mm x 12mm當(dāng)使用僅與相對(duì)較薄的銅和管芯表面之間的焊接粘合層。在這里間隔件的可行替代解決方案包括復(fù)合材料，例如銅-鉬和層壓板，例如銅-殷鋼-銅或銅-鉬-銅。
為確保足夠的功率循環(huán)性能和焊接連接的壽命，電流負(fù)載分布在多個(gè)管芯上，從而降低每個(gè)管芯的電流密度。雖然這種方式需要更多設(shè)備來實(shí)現(xiàn)給定功能，但需要降額以確保穩(wěn)健的安裝產(chǎn)品壽命。

隨著行業(yè)向碳化硅等寬帶隙器件過渡，這些器件的封裝將成為影響新模塊可靠性、性能和成本的關(guān)鍵因素。SiC在較高的工作溫度下效率更高，理想的封裝設(shè)計(jì)應(yīng)支持這一事實(shí)，以提高芯片效率。與硅和SiC一起部署的最有前途的附著材料之一是燒結(jié)銀。 如圖1所示，銀是一種近乎理想的附件材料，但其熔點(diǎn)使其無法用作回流金屬。盡管如此，它具有非常高的導(dǎo)熱性，并表現(xiàn)出極具吸引力的低電阻率。所有這些特性都優(yōu)于焊接，包括功率循環(huán)能力，這將在后面討論。
隨著不同類型的燒結(jié)銀大批量生產(chǎn)應(yīng)用的增加，材料類型也在增加。雖然最初的燒結(jié)銀應(yīng)用依賴于銀納米漿料，但薄膜和預(yù)成型件已成為可行的產(chǎn)品類型，從而實(shí)現(xiàn)了新的制造工藝。晶圓級(jí)層壓現(xiàn)在可以用納米銀膜實(shí)現(xiàn)。一旦晶圓被層壓，就可以使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備對(duì)晶圓進(jìn)行切割。還開發(fā)了一種替代工藝，可以層壓晶圓上的單個(gè)芯片，然后立即將它們燒結(jié)在目標(biāo)基板上。這被稱為模具轉(zhuǎn)移膜工藝。優(yōu)點(diǎn)是只層壓和燒結(jié)已知好的芯片與SiC一起使用時(shí)可以提供顯著的優(yōu)勢(shì)。
【文章來源：展至科技】

審核編輯 黃昊宇