SiC功率器件的封装技术要点

2022-06-13 14:34分类：电子元器件阅读：

SiC电力电子器件的封裝技术性关键点

　　具备成本效益的功率大的高溫半导体元器件是运用于电子信息技术的基本上元器件。SiC是宽带网络隙半导体器件，与Si对比，它在使用中有着众多优点。因为具备较宽的带隙，SiC元器件的操作温度可达到600℃，而Si元器件的最大操作温度局限性在175℃。SiC元器件的高温工作工作能力下降了系统对热费用预算的规定。除此之外，SiC元器件还具备较高的导热系数、高穿透场强、高饱和状态飘移速度、高耐热性和有机化学可塑性，其穿透场强比类似Si元器件要高。

　　传统式的输出功率半导体封装技术性是使用铅或无重金属电焊焊接铝合金把元器件的一个内孔迎合在热沉衬底上，此外的内孔与10-20mil铝钱楔或线纹键合在一起。这类办法在功率大的、高温工作前提下欠缺稳定性，并且不具有充足的牢固性。当今对功率大的、高溫元器件封裝技术性的很多要求造成了对这一行业的产品研发风潮。

　　SiC元器件的封裝衬底务必有利于解决固体铜厚膜导电性层，且具备高导热系数和低线膨胀系数，进而能够把大规格SiC集成ic可以直接电焊焊接到衬底上。SiN是一种具有诱惑力的衬底，因为它具备合理性的导热系数(60W/m-K)和低线膨胀系数(2.7ppm/℃)，与SiC的线膨胀系数 (3.9ppm/℃)十分贴近。电焊焊接是把集成ic与衬底贴合在一起的最常见方式。应用软焊能够清除地应力，却要以热疲惫和低抗压强度为成本，而硬焊具备高韧性却没法清除地应力。暂态高效液相引线键合技术标准应用一个蔓延能隙，以避免Si3N4衬底上的铜镀覆层与用于引线键合SiC集成ic的Au层中间的互蔓延，这类技术性还可适用于高溫下的集成ic粘合。

　　文中详细介绍了一种应用Sn96.5-Ag3.5焊锡膏完成2.5cm×2.5cm无孔隙度集成ic粘合的技术性。除此之外，还对Si3N4活力金属材料纤焊(AMB)衬底上运用的Au-In和Ag-In暂态高效液相引线键合技术性完成了科学研究。

　　试验

　　本分析挑选Sn96.5-Ag3.5焊锡膏，选用立即覆铜 (DBC)衬底做为SiC电力电子器件的封裝衬底。DBC衬底应用了一个夹在两块0.2032mm铜钱中间的0.381mm AlN陶瓷纤维板，铜钱与AlN瓷器快捷键合在一起。应用湿膜光刻技术在DBC衬底上制做图型，并选用喷雾器离子注入法把DBC衬底上不必要的铜离子注入掉。在量杯中根据化学腐蚀法除去表层残存的金属氧化物，随后在高溫真内腔室中开展干式浸蚀。应用SST 3130真空泵/工作压力炉进行集成ic和DBC衬底的粘合。除此之外依照封裝设计方案标准为引线键合全过程中元器件的支撑点精准定位生产加工了钢质或高纯石墨专用工具。这类引线键合技术性容许零件的指向输出精度在±0.0254mm范畴内。

　　最先，把预成形的Sn96.5-Ag3.5焊接材料切成SiC集成ic的规格。随后把引线键合专用工具、基钢板、预成形焊接材料、DBC衬底及其集成ic按序置放到加温腔中。把全套设备放进炉内，在60秒内加热至高效液相线溫度240℃，下面开展制冷循环系统。接着把封裝元器件开展拼装。先把开关电源和调节讯号联接设备键合在DBC衬底的合理部位，再把联接列管式与外界元器件的开关电源和数据信号电极连接线固定不动到外壁板上，下面对外壁包裹开展拼装。接着把铜绞线放进DBC衬底上的连结设备中，进而建立完善的封裝。

　　除开Sn96.5-Ag3.5焊接材料外，还对SiN衬底上用以暂态高效液相(TLP)引线键合加工工艺的此外二种无重金属集成ic粘合系统软件开展了科学研究。在引线键合全过程中，根据互蔓延在基本上金属材料层中间添加低溶点间距层，进而在引线键合溫度下完成等温过程干固。根据应用高效液相键合理合法使点焊的一致性获得了提升，并且干固进行以后，点焊能够承受比键合溫度更好的操作温度。

　　选用暂态高效液相引线键合加工工艺对二种无重金属生成焊接材料：Ag-In和Au-In系统软件开展了科学研究。Ag-In系统软件在10-6torr高真空泵循环系统情况下把3μm厚的In层和0.05μm厚的Ag层取得成功磁控溅射到SiC集成ic上，以避免In的空气氧化。Au-In系统软件把3μm厚的In层和0.05μm厚的Au层淀积在SiC集成ic上。因为具备高互热扩散系数，淀积进行后Ag基本上立刻与In相互影响转化成AgIn2化学物质层，而In-Au系统软件则转化成AuIn2层。随后把SiC集成ic键合在SiN衬底上的镀覆层叠上，因为带有Au和Ag磁控溅射层，因而无须应用助焊膏或清洁液。因为原点转化成了比较稳定的合金间化学物质AgIn2和AuIn2，表明这类办法是行之有效的。薄的Au层可避免Ag的空气氧化，那样就不用应用助焊膏。这类办法与其他应用助焊膏除去空气氧化层进而进行引线键合的In基键合加工工艺截然不同。

　　Si3N4 AMB镀覆衬底带有Au或Ag磁控溅射层，而且包括Si3N4/Cu/WC/TI/ Pt/TI/Au层叠。将其置放在不锈钢板加温腔中，并把SiC集成ic存放在衬底上。选用40psi静态数据工作压力把集成ic和衬底联接在一起，保证两者相互之间的密切触碰。随后把全部部件运载到淬火炉中。温度控制提升到210℃，在富氮自然环境中维持这一溫度十分钟，以避免In的空气氧化。随后部件在炉中制冷到室内温度以避免空气氧化。

　　在升温历程中，In-AgIn2化学物质中的In层在157℃时熔融。当溫度逐步升高至210℃时，在40psi工作压力的作用下，乳白色的高效液相In慢慢从引线键合SiC集成ic与衬底两者之间的页面压挤出去。伴随着In的进一步熔融，慢慢摆脱AgIn2金属材料间化学物质层，根据固体-液体互蔓延使Si3N4 AMB衬底上的Au和Ag层侵润并溶解出去。高效液相In与Ag和Au相互影响产生大量的AgIn2和AuIn2化学物质。根据这类反映生成了点焊。因为与Ag对比，Au的成分很少，因而它对点焊构造的危害并不显著。伴随着气温上升到166℃之上，Ag和In中间的反映再次开展，金属材料间化学物质持续增加。假如不断反映下来，最后将耗光所有的的In。假如要使各种各样原材料相互影响后产生匀称的点焊，Ag-In系统软件中Ag和In的成分占比应是74.2wt%Ag和25.8wt%In。

　　一样，在升温历程中，In-AuIn2化学物质中的In层在157℃时熔融。熔融的In从AuIn2金属材料间化学物质层溶解出去，产生富In的Au和AuIn2混合物质。这类混合物质使Si3N4衬底上的Au侵润并溶解，产生大量的AuIn2。反映产生后把系统软件制冷到室内温度，就产生固体点焊。假如要使各种各样原材料相互影响后产生匀称的点焊，Au-In系统软件中Au和In的成分占比应是76wt%Au和24wt%In。为了更好地检测点焊的稳定性，把试品置放在大气污染中，并在400℃高溫下实现了100钟头的热存储试验。

　　結果与探讨

　　图1中(a)和(b)分别是一部分和详细封裝部件的相片，SiC集成ic选用12mil (0.3048mm)Al引线键合引线键合到DBC衬底上。根据对封裝商品的扫描仪声学材料显微镜试验证实，选用Sn96.5-Ag3.5焊接材料完成了无孔隙度集成ic粘合。电力学检测证实这类封裝元器件能够承受100A电流量的冲击性。

　　如图2(a)所显示，引线键合以后马上开展暂态高效液相引线键合，所建立的Ag-In点焊的薄厚十分匀称。依据SEM图还可以见到，键合层的薄厚约为8.5μm。根据对点焊的检查发觉了四个不一样的相：Ag、AgIn2、AuIn2和Ag2In，这一点根据EDX净重百分数剖析获得了确认。图2(a)中一样的点焊的乳白色颗粒物上部分成AgIn2。根据EDX剖析明确正中间和下半边分成Ag2In层，恰好遮盖在纯Ag层上，纯Ag层坐落于点焊下边与Si3N4 AMB衬底的交汇处。显而易见，淀积在Si3N4衬底上的5.5μm厚的Ag层根据与SiC集成ic上In层的相互影响产生了Ag2In。图2(b)表明了点焊在大气污染中、400℃下历经100钟头热存储后获得的結果。如下图所示，Ag原素遮盖匀称，产生富Ag的Ag-In铝合金，即便在Si3N4衬底上最开始淀积Ag的地方发觉了纯Ag相，铝合金中Ag的成分仍占70-75wt%。