烧结技术在功率模块中的应用

细节: 类别：集成电路; 2010年10月8日

自1994年以来，银化合物烧结技术已被用于将芯片键合到陶瓷基板上。此后，众多国际研究分析了烧结键合的性能及其可靠性优势。然而，当时这项技术尚未成熟，无法在电子行业广泛应用。.

芯片/基板烧结键合是利用特殊的银颗粒实现的，这些银颗粒在特定条件下可形成烧结键合，从而在部件之间实现可靠的连接。图1展示了烧结前后的银颗粒。值得注意的是，每个颗粒都被一层特殊材料包裹。键合过程简单，只需使用足够数量的颗粒以达到所需的键合层厚度，并在特定时间内施加适当的温度和压力即可。最终形成非常稳定的键合。然而，这一基本工艺仍需改进才能应用于工业生产。
近年来，人们致力于该技术的产业化。目前已开发出一种用作烧结起始材料的浆料。此外，还开发了用于烧结5英寸×7英寸规格的多芯片陶瓷基板（DCB）的必要工具。烧结过程中使用的压机经过专门设计，可根据不同的烧结工艺承受不同的压力。
此外，还对负责该工艺的人员进行了培训，并实施了持续改进措施。

芯片与基板之间烧结层的接触结合强度极高。可靠性测试表明，烧结接头具有极高的抗循环载荷能力。烧结技术的另一优势在于其显著更高的芯片相对于基板的位置精度，可达 50 µm 量级。相比之下，目前的焊接技术只能达到 400 µm 的位置精度。
烧结层的厚度仅为焊接层的四到五分之一，导热系数却高出四倍。因此，烧结接头展现出优异的热性能。此外，由于烧结过程中使用的银材料的熔点比焊接过程中使用的填充材料熔点高出四倍（见表 1），烧结层在循环载荷下的性能也更胜一筹。烧结接头的高温稳定性表明，其性能不会随时间推移而劣化。

烧结技术的应用：
SKiM® IGBT 模块采用烧结技术，其应用功率范围从 22 kW 到 150 kW。SKiM® 的热循环性能比采用铜底和焊料的传统模块高出五倍。SKiM® 模块无需将用于绝缘的陶瓷基板焊接在铜底上，而是在将模块连接到散热器时采用压力接触技术（见图 3）。压力施加在靠近每个芯片的多个点上，确保压力均匀分布在陶瓷基板的整个表面上。取消铜底可提高热循环性能并降低热阻。图 3 显示了模块外壳、压力接触系统以及控制连接的弹簧触点的横截面。
由于取消了所有焊接连接，SKiM 模块系列成为市场上首款 100% 无焊料模块。烧结技术、压力接触技术和无铜焊料设计的结合，确保了其热循环能力是铜底焊接模块的五倍。

过去15年间，芯片的允许工作温度稳步提升。目前，采用最新芯片技术（例如IGBT4/CAL4）的模块最高工作温度可达175°C。未来，碳化硅的应用将面临更大的挑战，因为碳化硅基器件的工作温度可高达300°C，从而难以实现耐热循环的稳定结。正因
如此，赛米克隆开发的烧结技术完美适用于这些高温工作环境。这是因为烧结结的熔点高达961°C，比目前常用的焊接结熔点高出约740°C。
这种高温下的结稳定性有效防止了器件性能的退化。多项可靠性和寿命测试已证实了烧结结的优异性能。
随着时间的推移，功率半导体的应用领域发生了显著变化。过去，半导体模块通常安装在环境高度可控的机柜内，且安装位置较为隐蔽。

如今，半导体模块被应用于移动应用领域，例如在环境条件极其恶劣（温度超过 110°C）的车辆中。目前面临的挑战是确保半导体模块能够在这些严苛条件下可靠运行。.

烧结技术的未来：
SEMIKRON 开发的烧结技术是一项关键技术，能够制造出功率更大、可靠性更高、使用寿命更长的功率模块。SKiM 模块的制造原理——取消铜底座、采用压力接触系统和烧结技术——同样应用于第四代 SKiiP 智能功率模块的开发，该模块可应用于风能和太阳能发电、公交车牵引、地铁等领域。

烧结技术的优势也体现在第四代 SKiiP 上：热循环能力是传统模块的五倍，芯片与陶瓷基板之间的结合更稳定，负载循环能力是标准模块的两倍。.

作者：

赛米克隆新技术主管 Christian Göbl

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