SiC 功率模塊無壓低溫銀燒結(jié)雙面冷卻制造工藝

一  SIC封裝創(chuàng)新思路

針對引線封裝存在的可靠性問題，善仁新材創(chuàng)研中心提出平面封裝型SiC電力電子器件封裝策略。 該封裝策略采用引線框架代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鍵合引線，并通過AS9330納米銀焊膏實(shí)現(xiàn)器件與基板和門極/源極引線框架的無壓低溫互連。 低溫?zé)o壓銀燒結(jié)SiC功率模塊可穩(wěn)定工作在250 ℃，-55~ 250 ℃的高低溫老化沖擊實(shí)驗(yàn)200個(gè)周期沒有發(fā)生失效。

在此基礎(chǔ)上，針對SiC電力電子器件高溫 和高頻特性可能帶來的可靠性問題，有學(xué)者開展了高散熱雙面冷卻封裝集成策略研究，該封裝設(shè)計(jì)中高導(dǎo)熱的無氧銅塊代替了傳統(tǒng)的引線互連，并采用無壓銀燒結(jié)方法完成雙面冷卻結(jié)構(gòu)模塊的封裝。

這種雙面冷卻封裝結(jié)構(gòu)較大限度地縮短了高溫 SiC 器件的散熱和電氣互連路徑，能夠有效提高模塊的功率集成度的同時(shí)減小封裝雜散電感，這有助于充分發(fā)揮擁有高功率密度的 SiC 器件的高頻和高溫優(yōu)勢。 相比Si器件，由于SiC器件有著更高的楊氏模量和工作溫度使得引線鍵合界面更容易發(fā)生疲勞失效，而雙面冷卻封裝結(jié)構(gòu)能夠有效的消除引線鍵合界面失效的潛在風(fēng)險(xiǎn)。 然而，由于雙面冷卻封裝中SiC器件兩側(cè)均受到基板約束，在服役過程中將承受更大的熱-機(jī)械應(yīng)力。 為減小這種封裝應(yīng)力，低CTE的鉬片用于補(bǔ)償SiC 基器件源區(qū)一側(cè)基板引入的高附加應(yīng)力，低楊氏模量的燒結(jié)銀連接界面用于緩沖SiC基器件漏區(qū)一側(cè)基板給器件帶來的封裝應(yīng)力。

為了驗(yàn)證此策略，使用1200V/400A車用SiC功率模塊的低應(yīng)力封裝工藝，此器件的燒結(jié)面積4.4 mm×4.0 mm，鉬片厚度為1.5 mm，氧化鋁襯底基板的厚度為1.2 mm。 兩側(cè)基板均采用AS9330低溫?zé)o壓銀燒結(jié)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)器件和鉬片的互連，燒結(jié)后形成器件-基板組件和鉬片-基板組件結(jié)構(gòu)連接，燒結(jié)后兩組組件的連接使用傳統(tǒng)的高溫焊料 Pb92.5Sn5Ag2.5。

以上連接工藝均在傳統(tǒng)真空回流爐中完成。相比傳統(tǒng)Si基功率封裝模塊，這種采用AS9330銀燒結(jié)的SiC功率模塊的熱阻降低了40%，體積減小50%。由于燒結(jié)過程大面積基板的翹曲問題，SiC 基器件的源區(qū)焊接面并沒有使用銀燒結(jié)，考慮到器件源區(qū)連接界面較接近SiC器件的結(jié)溫，該界面處可能更容易發(fā)生失效，所以采用對低壓輔助燒結(jié)或借助適當(dāng)治具有助于增加該界面的穩(wěn)定性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一次全銀燒結(jié)。

二 雙面冷卻 SiC 功率模塊的制造工藝

1印刷銀焊膏

2貼片

3燒結(jié)銀焊膏

4引線鍵合

5端子焊接

6放置焊片

7真空回流焊接

8塑封