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SiC 功率器件封装解决方案

发布日期：2020-08-06 10:48　浏览次数：

Die Top System（DTS）一种适用于SiC功率半导体器件封装的材料系统，也是目前适用范围最广，无IP限制，可在结温200℃及以上环境中使用的新型材料。

 

 

 

2020 新的十年已经开启，高速率，低延时的5G 技术将会在未来的十年内被广泛应用，万物互联的时代已不会太远。而时代的进步需要大量的能源支持，资源过度开发，温室效应等环境问题一直困扰着人类，节能减排已迫在眉睫。随着新能源汽车大量进入市场，对电能的需求量将会与日俱增，如何高效的利用电能并且降低能耗，功率半导体作为核心器件无疑将在其中扮演重要角色。
 
从整个行业来看，芯片材料已经发展到第三代，由于第一代元素半导体材料制造工艺成熟并且价格相对较低，所以目前Si 依然是最主要的芯片材料，但是在通讯、微波等领域以GaAs 为代表的化合物半导体材料，具有高频、高速等特点，在微波、毫米波及发光器件中被大量应用，又因第二代半导体材料稀缺，价格昂贵并且还有毒性，所以第三代宽禁带半导体SiC 和GaN 材料凭借着自身优异的性能及市场巨大的潜力，已成为新的宠儿。

 

半导体材料性能比较

半导体材料

带隙（eV）

熔点（K）

主要应用

第一代半导体材料

硅Si

1.11

1687

低压，低频，中频，功率晶体管

第二代半导体材料

砷化镓GaAs

1.4

1511

微波，毫米波器件，发光器件

第三代半导体材料

碳化硅SiC

3.05

2826

高温，高频，抗辐射、大功率器件

氮化镓GaN

3.4

1973

高频，抗辐射，蓝、绿、紫发光二极管，激光器

表格1：来源自网络分享

 

和第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体具有高温、高功率、高耐压、高频等特点，在功率半导体市场已经初露锋芒。又因其具有较宽的带隙，所以它们的开关速度会更快、更高效，甚至还具有抗辐射的能力，因此应用在极端环境更突显其优势。我们知道GaN 和Si 材料对比可以做到在高压、高频下无损耗，在更高功率密度下，可以做到更小体积以及更好的散热性能，所以在200-600V 左右的领域GaN 具有绝对优势，并且已经在手机快充行业显露头角。SiC 目前主要以MOSFET 器件在电动汽车中被大量应用，更小的导通电阻和开关频率，不仅可以降低损耗而且更小的体积也为电动车节省更多空间。又因较好的抗辐射和耐高温的能力，从而大大提高器件的可靠性。因此目前SiC 在大于600V 的能源转换领域具有更多优势。图1是GaN 和SiC 两种材料的发展趋势。

 

图片1：来源自网络分享

 

虽然Si 材料的器件在整个市场依然拥有90% 以上的市场份额，但是随着终端应用技术的拓展在一些如新能源汽车、轨道交通、智能电网等关键领域，SiC 取代传统的Si 是必然趋势。Si 器件工作温度大多在150 ℃，通常最高不会超过185℃，但是SiC 器件在性能提升的同时， 其工作温度也达到了近200℃甚至更高，这对SiC 器件的封装材料及工艺技术提出了更高的要求。

 
铝丝和焊层疲劳是导致器件失效的主要原因，通过功率循环测试的数据进行科学统计得出规律，失效模式多见为铝丝脱键和焊层开裂及分层，所以在半导体器件中芯片级互联和焊接材料被公认为是除了芯片以外最为关键的两种材料。现在如果仍然将传统的封装方案应用在SiC 器件上，并且使其长期处于200℃的工作环境中，器件可靠性将会大大降低。（图2 所示为功率器件在功率循环测试下的失效模式）

 

图片2：来源自网络分享

 

如何解决器件因封装材料过度老化而引起的可靠性问题，这是封装行业长期以来研究的课题。在功率半导体器件中芯片级别99% 的封装方案都是选择使用铝丝键合与合金焊料组合的方案，一般我们的材料会有多种型号来满足客户的不同的应用需求，比如说铝丝根据添加不同的微量元素可分为5N 高纯铝丝，高可靠性4N 铝丝、高强度AlSi 丝和适合高温环境AlMg 丝等。而对于合金焊料的选择主要根据合金的熔点可大致分为有铅焊料和无铅焊料。那么如何找到一款适合SiC 器件的封装方案，则需要投入更多的研究。如图3 是我们使用了4 种不同材料的相互组合的封装方案并进行了功率循环测试的结果。

 

图片3：来源自贺利氏

 

通过实验结果我们发现相同芯片前提下，功率器件的寿命，在使用强度更高的互联材料和导热更好的焊接材料的组合方案是使用铝线和合金焊料组合方案的6 倍，通过这个对比测试，我们发现铜是一款比较理想的互联材料，而且在业内已经将烧结银作为下一代的芯片焊接材料。如表格2 铜铝材料特性对比，表格3烧结银和合金焊料的特性对比。

 

特性

单位

铝

铜

熔点

℃

660

1084

热导率

W/(m·K)

230

399

线性膨胀系数

ppm/K

23

17

导电率

A/(V·m)

37.7x106

59.1x106

抗拉强度

MPa

40-50

200-300

弹性模量

GPa

70

100-300

维氏硬度

Mpa

167

369

密度

g/cm3

2.7

8.96

表格2：来源自网络收集

 

特性

单位

合金焊料

烧结银

元素

-

有铅或无铅

无铅

熔化温度

℃

290 - 310

961

加工温度

℃

360 - 400

230

热导率

W/mK

＜50

＞200

导电率

MΩ/cm

0.01 - 0.03

≤0.01 MΩ/cm

热膨胀系数

ppm/K

25 - 30

15 - 19

表格3：来源自网络收集

 

从表格2 中可以看到，虽然铜的各项特性优于铝，但其硬度却是铝的2 倍，在键合测试中使用和铝丝相同直径的铜丝会对芯片表面造成不同程度的损伤，经多次参数调整后依然无法解决，所以想要在芯片表面实现铜丝键合，那么它的顶部需要有强度更高的金属镀层。我们知道功率芯片顶部金属化处理常见工艺为镀铝，镀银和镀金，这些材料质感偏软都无法实现在其表面直接铜丝键合。目前只有少数公司拥有芯片表面镀铜技术可实现铜丝键合工艺，但是芯片顶部镀铜工艺较复杂，而且成本很高无法实现批量生产，因此贺利氏使用银烧结技术将一层特殊设计的铜箔烧结在芯片顶部，经过与客户多年的合作并在产品中验证，在芯片顶部烧结的这层铜箔，完全可以承受铜丝键合过程中较大的压力及超声功率。贺利氏电子将实现在芯片表面进行铜丝键合的产品命名为Die Top System(DTS), 如图片4 所示为DTS 的结构图。

图片4：来源自贺利氏

 

其实确切的说贺利氏电子的DT S 不是某一款单一的材料， 而是一系列材料的集合， 其中包含了带多功能表面的铜箔、预涂/ 预干燥的烧结银、固晶粘结剂（ 可选）， 再搭配上贺利氏的键合铜丝，带压烧结银膏（适用于基板表面镀银/裸铜）、金属陶瓷基板（ 可局部镀银）。该方案不仅和铝丝键合工艺一样具有极高的灵活性， 而且还具有比铝丝性能更高的导电性、导热性和与芯片互连的可靠性。当然除此之外D T S 的标准包装使用1 2 英寸的晶圆框架， 内部铜箔为8 英寸， 可以帮助客户在工业化生产阶段， 简化工艺流程， 最大程度提高盈利能力， 加快新一代功率器件的上市步伐。图片5 是我们根据相关设备的工艺能力，为客户定制的D T S 工艺流程，可实现自动化生产。
 
DTS 包含的所有材料均是贺利氏自己产品， 比如像键合铜丝PowerCuSoft、烧结银膏mAgic、陶瓷覆铜基板Condura 等都是客户所熟悉的产品，而且也都作为高可靠性材料在各种环境中被大量应用，所以DTS 集成了这么多优秀的产品，在可靠性方面也给客户交出了满意的答卷。如图6 所示通过功率循环测试比较，在使用DTS、烧结银和DBC 基板产品组合的封装方案整体寿命比使用铝丝、SnAg 合金焊料和DBC基板组合的封装方案要高出67 倍，如果将DCB 基板换成热阻更小陶瓷耐冲击更好的AMB-Si3N4 基板, 我们相信在可靠性方面将会有更大的提升。

 

图片6：来源自贺利氏

 

图片7：来源自贺利氏

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