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无压低温烧结银--功率半导体器件封装可靠性的幕后英雄

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无压低温烧结银--功率半导体器件封装可靠性的幕后英雄

随着新能源汽车、5G通信、高端装备制造等的蓬勃发展,这些领域对功率器件的要求越来越高——既要有更高的效率和可靠性,又要寿命更长,制造步骤尽可能简单易行,还要满足无铅监管的要求。这些都对焊接材料和工艺提出了更高、更全面的可靠性要求。

实现上述要求“非它不可”材料和工艺已经在路上,它就是无压低温烧结银焊料和银烧结互连技术,特别是它将为大功率器件带来受用不尽的好处。

从IGBT到硅芯片

随着电子技术向高功率、高密度和集成化的方向发展,对大功率器件封装的焊接材料提出了更高的可靠性要求。

先说IGBT,芯片技术的进步令其最高工作结温和功率密度不断攀升,其作为新一代功率半导体器件已广泛应用于高铁、新能源、电动汽车以及智能电网等各个领域。而传统IGBT模块采用Sn-Pb(锡铅)、Sn-Pb-Ag(锡铅银)等合金焊料焊接,其熔点低、导热性差,且对人体和环境有害,难以满足高功率电子器件封装及其高温应用要求。

再说碳化硅(SiC),作为第三代半导体的代表,碳化硅芯片可在300℃以上稳定工作,模块温度可达到175-200℃。其更强的能量转换效率、更高功率密度、更高耐压使之逐渐进入新能源汽车等应用场景,已成为功能多、体积小、质量轻、功耗低、高效率和高可靠性方案的代名词。而汽车行业向纯电时代的转型也成为了功率半导体革命提供了重要驱动力。显而易见,伴随上述趋势,将功率器件封装成模块已经是普遍采用的做法,而功率模块能否可靠稳定地工作,将直接影响整个电力转换装置的可靠运行,所以必须保证和提高功率模块的可靠性,而功率模块的轻量化及散热封装已成为重要的技术需求。

不管是IGBT还是碳化硅器件,都要求功率模块在瞬态和稳态情况下有良好的导热、导电性能和可靠性。而功率模块的体积缩小的趋势会引起模块和芯片电流、接线端电压及输入功率增加,从而增加热损耗,产生温度漂移等情况,严重影响功率器件的可靠性,并加速器件老化。

传统功率模块中,芯片通过软钎焊接到基板上,连接界面一般为两相或三相合金结构,在温度变化过程中,通过形成金属化合物层使芯片、软钎焊料合金及基板之间形成互连。目前,电子封装中常用的软钎焊料为含铅钎料或无铅钎料,其熔点基本在300℃以下,采用软钎焊工艺的功率模块结温一般低于150℃,应用在温度为175-200℃及以上时,连接层性能会急剧退化,影响模块的可靠性。另外,根据RoHS指令要求,由于铅具有毒性,会对环境和人体健康产生危害,电子产品中禁止已使用含铅钎料。

因此,开发可以用于高温、高功率封装的具有高热导率和良好综合性能的新型热界面互连材料迫在眉睫。

封装可靠性怎一个“热”字了得

目前,IGBT器件的发展对热管理提出了更高的要求,能够满足碳化硅大电流密度、高工作温度和散热性能好的绿色焊料更是凤毛麟角。其挑战主要集中在以下两个方面,但都与“热”有关。

首先是热冲击会加剧器件老化速率。善仁新材研创人员认为:对功率模块来说,抗温度冲击以及抗功率循环老化能力是评价功率模块寿命的重要指标,特别是碳化硅等第三代半导体器件的功率密度和工作频率不断提升,热冲击将进一步加剧器件老化速率。

典型IGBT模块包括IGBT和二级管芯片,几个连接部位包括芯片与基板的连接、基板与底板之间的补充连接,都需要建立一个有效的散热通道。在两个连接中,关注比较多的是芯片连接,它对芯片散热至关重要。而基板和底板的连接同样重要,因为大面积基板与底板的连接更容易发生失效。

                                             

大面积基板与底板封装互连更易失效

芯片与基板是采用回流焊工艺通过熔化焊点实现的,而在基板与底板二次连接时需要降低回流焊温度,以防止芯片与基板的第一次焊点连接发生焊料重熔。焊料重新熔化会导致焊料变得更脆、易失效,同时还会出现芯片移位等问题。因此,通常会选取熔点更低的焊料,比较常用的是SnAg3.0Cu0.5焊料。

而且,不仅基板连接焊料熔点低,而且面积大,因此在长期高温且伴有耦合震动的工况(如汽车等复杂工况)下工作,极易出现高温疲劳蠕变,导致基板与底板的大面积连接发生失效。

在一些典型IGBT模块基板与底板封装中,大面积底板上有2块半桥型DBC板,或有6块全桥型6单元形式的DBC板。随着老化时间延长,基板与底板之间大面积互连快速出现失效。分层图显示,失效由边缘不断向中心扩展,极易导致封装热阻快速增加,极大地影响模块的整体散热效果,进一步加速模块老化失效,并最终使焊料分层断裂,严重制约模块在高温、复杂工况、震动等应用中的使用。

其次是集成功率器件的尺寸问题。人们通常认为器件越小越好,在集成功率器件时,片芯体积主要取决于额定功率,所以减小片芯体积存在一些限制。如果要一味降低尺寸就可能导致可靠性下降,主要问题是半导体结的温度。

要充分发挥功率器件的性能,就意味着要确保器件在安全运行范围内工作,所以烧结温度一般保持在175℃以下,满足这一点的关键在于器件工作时结的热量如何散掉。

很明显,片芯体积越大,散热表面积就越大。事实上,推动数字器件集成制造商的市场力量也在影响模拟和功率半导体领域,工程师们想要更小的片芯,因为这意味着性能更高,成本更低,但片芯体积会直接影响结热量的散热速度。

善仁新材研创人员认为:在电子产品中,功率器件的体积至关重要。数十年来,行业发展一直在遵循摩尔定律,它预测晶体管成本会年年下降。现在,已有人质疑摩尔定律的准确性,但是它对创造更小、更快、更便宜产品的推动却不会在短期内终结。对于功率器件而言,摩尔定律并非金科玉律。确实是器件越小越好,但是功率半导体在有用的同时能做到多小存在一些限制。这是因为其承载电流的能力与物理面积息息相关。所有半导体都有一个共同点,即需要将结处生成的热量散发出去。这也是一个与物理尺寸关系密切的性能表征。

对于功率器件,缩小面积能带来同样的好处,但是,由于涉及的功率电平高得多,热状况会进一步降低缩小面积的可能性。这里的关键指标是从结到壳的热阻,而这一指标的重要参数之一是结和片芯的物理体积。除此以外,芯片连接到壳的方式是另一个仅次于体积的相关热阻参数。更进一步讲,碳化硅芯片可在300℃以上稳定工作,预计模块结温将达到175-200℃。

无压纳米银焊料应运而生

热量经过结和片芯后,遇到的下一个热屏障是片芯与封装的连接点。传统做法是将接触点焊接起来,这个方法很有效,既易于采用,又比较便宜可靠。不过,连接处的导热系数特别关键,既要考虑材料的数量和厚度,还要考虑不同材料的导热系数。由于热量会向所有方向散发,遇到的热阻不同,散热速度就会有快有慢。

虽然有很多种方法改善上述窘境,如采用更好的无铅焊料等,但改善有限。一个替代方案是使用能够烧结的焊料取代铅合金焊接方法。这种焊料的导热系数往往高得多,而且可以使用更薄的焊料。银是很好的材料,银烧结层的导热系数可以达到1.4-2W/cm/℃左右,而铅焊料的导热系数仅为0.25W/cm/℃。

基于纳米银焊料技术的低温成形(区别于焊接)、高温使用非常有效。因为低温成形并不是把银熔化,而是通过固相烧结方式形成连接。形成这样的连接后,使其熔化的熔点就是银的熔点,银的熔点是961℃,这样二次焊点的选择余地就大了很多。也就是说,如果将一次焊原来选择的300℃熔点的焊料变成900℃以上熔点的焊料,二次焊就可以选择更高温度的焊料,大幅提升互连的耐温性能和高温可靠性。此外,也可以直接选择低温无压烧结纳米银焊料做二次焊焊接,且可实现一次成形。

纳米银焊料的技术特点

纳米银的前世今生

近年来,为了解决高温大功率器件所面临的问题,无压低温纳米银烧结技术受到了越来越多研究者的关注。

其实,早在上世纪90年代初,研究人员就通过微米级银粉颗粒烧结——低温烧结技术实现了硅芯片和基板的互连。在制作银粉过程中,通常会加入有机添加剂,以避免微米级银粉颗粒出现聚合。当烧结温度超过210℃时,在氧气环境中银粉的有机添加剂因高温分解而挥发,最后变成纯银连接层,而不会产生杂质相。

整个烧结过程就是银粉颗粒致密化的过程,可以形成良好的机械连接层。虽然银的熔点高达961℃,但烧结温度远低于该温度,也不会产生液相。另外,要达到230-250℃的烧结温度,还要用辅助加压设备提供约40MPa的压力,以加快银焊料烧结。这种方法可以得到更好的热电及机械性能,接点空隙率低,热疲劳寿命也超出了传统焊料10倍以上。但是,人们发现辅助压力过大会在一定程度上损伤芯片,且经济投入较大,严重限制了其在芯片封装领域的应用。

善仁新材的研究发现:由于纳米尺寸效应,纳米银材料的熔点和烧结温度均低于微米银,连接温度可以低于200℃,可以不需要压力,当然辅助压力也可以降至1-5MPa,即使这样,连接层仍能保持较高的耐热性和很好的导热、导电能力。烧结过程的驱动力主要来自体系表面能和体系缺陷能,颗粒尺寸越小,其比表面积越大,表面能也越高,驱动力就越大。外界对系统施加的压力、系统内的化学势差以及接触颗粒间的应力也是银原子扩散迁移的驱动力。

这种方法得到的连接层为多孔结构,空洞尺寸在微米及纳米级别。在连接层孔隙率为10%的情况下,其导热及导电率可达纯银的90%,远高于普通软钎焊料。

银烧结互连示意图

在功率模块封装方面,为了获得更高的可靠性,一些功率半导体头部公司争相推出类似技术。

2006年英飞凌在Easypack功率模块中分别采用了单面银烧结技术和双面银烧结技术。高温循环试验发现,相比传统软钎焊工艺,采用单面银烧结技术的模块寿命提高了5-10倍;双面银烧结模块寿命超过了10倍。

2007年,赛米控推出采用精细银粉,在高压及大约250℃条件下烧结为低气孔率银层的SKiNTER功率模块。其功率循环能力提升了2-3倍,烧结层厚度减少约70%,热导率提升3倍左右。测试表明,由于散热性差导致的热应力,标准锡银焊接在125℃就会老化;而芯片与DCB之间烧结的模块使用寿命更长。

焊接功率模块与烧结功率模块最终的失效机理

2012年,英飞凌推出.XT互连技术,芯片和基板之间采用银烧结工艺连接。循环试验表明,无底板功率模块寿命提升达2个数量级,有底板模块寿命提升超过10倍。英飞凌也是在芯片与DCB之间用了银烧结技术(约20μm)来提升可靠性。

大功率IGBT模块中的.XT技术

2016年,特斯拉Model3采用银烧结技术制作的功率模块,以往用于芯片贴装的焊接材料在热导率和可靠性方面都有其瓶颈,能够承受的工作温度最多只能在150℃左右。而SiC芯片的工作温度可能会超过175℃。

为什么银烧结技术用的还不多?

银烧结技术具有方面的成本效益,包括高吞吐量、低成本、高良率和低人工成本等。时至今日,已经有不少厂商提供采用银烧结技术制造的功率模块,国内能批量提供低温无压烧结银的厂家只有善仁新材料。还有就是设计领域的许多工程师并不了解半导体器件设计和制造的细节,特别是银烧结技术。

银烧结技术的成本效益

功率半导体领域,尤其是在基于碳化硅等宽带隙材料的器件中,采用银烧结会可以为最终应用带来实际价值。所以,该技术在成本方面利好汽车领域,但对其他成本管控更严的方案,还是希望退而求其次,使用高温低成本无铅焊料、高温焊点、有铅焊料等,从而在保证高温可靠性的前提下降低成本。

虽然目前大部分功率半导体还没有采用银烧结技术,但是善仁新材预计:随着时间推移,这种情况会有所改观。正是由于为功率模块和系统集成方面带来的优势,采用银烧结技术将可能成为各种大功率器件封装的标配。