【導讀】SiC芯片可以高溫工作，與之對應的連接材料和封裝材料都需要相應的變更。三菱電機高壓SiC模塊支持175℃工作結溫，其封裝技術相對傳統IGBT模塊封裝技術做了很大改進，本文帶你詳細了解內部的封裝技術。
SiC芯片可以高溫工作，與之對應的連接材料和封裝材料都需要相應的變更。三菱電機高壓SiC模塊支持175℃工作結溫，其封裝技術相對傳統IGBT模塊封裝技術做了很大改進，本文帶你詳細了解內部的封裝技術。
為了實現低碳社會，能夠高效電能變換的電力電子技術正在擴展到消費、工業、電氣化鐵路、汽車、太陽能發電和風力發電等各個領域。其中，功率模塊在控制電流方面發揮著重要作用，需要減少運行過程中的損耗，減小封裝尺寸，并提高功率密度。近年來備受關注的SiC（碳化硅）與以往的Si（硅）相比具有高速開關且低損耗的特點，能夠飛躍性地提高性能，因此被期待為下一代的功率器件。此外，由于SiC能夠高溫工作，因此可以通過減小封裝尺寸來促進功率單元的小型化，但為此，需要開發能夠應對高溫工作的封裝材料和結構。
在封裝開發過程中，我們提高了鍵合材料和灌封材料等各部件的耐熱性，并開發了對應的工藝技術，特別是提高了對溫度循環壽命有影響的鍵合部位的可靠性，實現了高質量和高可靠性。通過應用這些技術，我們開發了一種支持芯片工作溫度（Tjop）175℃高溫運行的封裝。
圖1顯示了開發的高溫工作全SiC功率模塊（FMF185/375/750DC-66A）的封裝外觀，圖2顯示了主要結構（示意圖）。作為支持175℃高溫運行的封裝結構，在底板上使用耐高溫焊錫來連接耐高溫絕緣基板，在絕緣基板上使用Ag燒結技術鍵合芯片。芯片上面的電極和絕緣基板金屬層用Al線連接，與外部電氣連接的電極與絕緣基板金屬層進行US鍵合。外殼安裝在底板上，內部填充了耐高溫灌封材料。
圖1：適用于高溫工作的封裝外觀
圖2：高溫運行封裝截面圖
當考慮芯片的高溫運行時，由于傳統焊料在芯片鍵合時的物理限制，因此需要新的鍵合材料和合適的工藝。本公司開發了使用Ag粒子燒結鍵合工藝，實現了耐高溫、高品質化。
Ag燒結連接工藝進行多個芯片的批量鍵合。因此，在高溫工作封裝中，相對于以往封裝，芯片尺寸縮小，研究了在4×3的芯片排列中高密度化統一鍵合。圖3顯示了通過Ag燒結進行批量鍵合后的SAT（Scanning Acoustic Tomography）圖像，圖4顯示了鍵合截面圖像。從SAT圖像和截面圖像的結果來看，鍵合處沒有空隙或龜裂等，可以確認鍵合狀態良好。因此，在高溫工作封裝中，通過Ag燒結實現了芯片的高密度化和高質量的鍵合。
圖3：Ag燒結批量鍵合后的SAT圖像
圖4：Ag燒結后的橫截面圖像
過去一直使用AlN（氮化鋁）陶瓷的絕緣基板，此次研究了采用Si3N4（氮化硅）陶瓷的耐高溫絕緣基板作為新材料。為了評價耐高溫性能，對AlN絕緣基板和Si3N4絕緣基板實施溫度循環試驗，使溫度變化為-40~175℃（ΔT=215K），對陶瓷部分和基板金屬層的鍵合部裂紋變化進行檢測、確認。結果，如圖5所示，AlN絕緣基板的陶瓷部分出現龜裂，而Si3N4絕緣基板在600個循環后也未發生龜裂，實現了耐高溫、高可靠性。
圖5(a)：溫度循環測試后的絕緣基板截面圖-AlN基板
圖5(b)：溫度循環測試后的絕緣基板截面圖-Si3N4基板
連接絕緣基板和底板的焊料必須保持鍵合處無裂紋，以保證對基板的散熱，防止芯片過熱。因此，我們研究選擇了耐久性、耐熱性的RoHS焊錫材料。對于耐高溫焊料，在表1所示的混合元素基礎上添加了多種元素，以提高鍵合壽命，使其符合絕緣基板和底板的機械物理性能。使用選定的焊料，將Si3N4絕緣基板和底板連接起來，并進行了溫度循環試驗，其中溫度變化為-40~175℃（ΔT=215K）。結果，即使在600次循環后，也沒有觀察到鍵合處出現裂紋，并驗證了它可以作為耐高溫焊料使用（圖6）。
表1：耐高溫焊錫材料的主要混合元素和效果
圖6：溫度循環測試后的焊接層截面圖
傳統用于電氣連接到外部的電極是使用焊料鍵合到絕緣基板金屬層。然而，隨著功率密度的增加，由于電極電阻成分引起的發熱和電極與基板金屬的鍵合部分溫度上升成為問題，因此需要提高高溫循環下的鍵合壽命。因此，我們利用US（超聲波）焊接技術將電極與基板金屬直接鍵合在一起，并通過去除焊料提高了鍵合強度，從而在高溫循環中提高了電極與絕緣基板的鍵合壽命。
為了實現功率模塊的更高工作溫度，我們不斷開發器件封裝技術。表2顯示了從傳統封裝到高溫運行封裝的技術。除了引進Ag燒結鍵合、耐高溫絕緣基板、耐高溫焊錫材料、電極US鍵合相關技術外，為支持高溫運行功率模塊的商業化，創新的封裝設計、材料及制造工藝的開發是至關重要的。
表2：傳統封裝與高溫運行封裝的區別
今后，本公司將以多年積累的功率模塊封裝技術及量產技術為基礎，加速開發新一代高溫運行且高品質的功率模塊，同時繼續推進商業化，為實現環保及節能社會做出貢獻。
文章來源：三菱電機半導體
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