針對要求最嚴苛的功率開關應用的功率分立元件和模塊的封裝趨勢，從而引入改進的半導體器件。即碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬帶隙類型，將顯著提高功率開關應用的性能，尤其是汽車牽引逆變器等應用中。
在需要低損耗、高頻開關或高溫環境的功率應用中，碳化硅陶瓷基板功率半導體技術與傳統硅基器件相比具有顯著優勢。例如，Sic的介電強度電壓大約是硅的10倍，低損耗對性能比至關重要，而SiC技術可將功率損耗降低多達五分之一。

這些技術的一些優勢已經得到證明和部署，特別是碳化硅在獨立充電站應用（高壓），以及最近在牽引逆變器組件（高溫、高開關頻率）中的應用，成為真正在汽車電氣化領域。憑借大幅提高性能的潛力，該行業仍然要面臨挑戰，可以部署哪些新的封裝創新來實現這些有前途的半導體器件的全部性能優勢？
在改進功率模塊封裝設計的第一步，甚至在碳化硅出現之前就涉及在陶瓷基板上使用直接鍵合銅，例如氧化鋁和氮化鋁以取代用純銅制成的基板。這些陶瓷基板表現出顯著較低的熱膨脹系數（CTE）特性，同時仍提供合理的導熱性。

如圖1a和1b所示，可以通過調整銅的厚度相對于內核氧化鋁的厚度來修改CTE。例如達到7-9ppm/攝氏度，這為安裝提供了更好的匹配低CTE半導體模具。通過這樣做總的CTE失配（芯片與基板）現在為3-7ppm，而不是安裝到銅引線框架的半導體芯片的情況下的13-15ppm，直接鍵合銅DBC陶瓷基板在當今的多芯片電源模塊系統中非常普遍，但也有選擇性地使用銅引線框，尤其是單芯片器件。

另一個最近的發展是使用銅作為陶瓷上的金屬化，與銅金屬化相比，它們的熱循環性能有所提高。如圖2所示，陶瓷基板頂部金屬化被蝕刻以形成物理電路，該電路可以接受芯片連接，然后是頂部引線鍵合。而基板表面處理也很常見，它可以在通常包括回流焊的芯片貼裝工藝之前提供強大的表面保護，典型的焊料包括使用高鉛用于芯片連接，以及用于基板底部連接到模塊散熱器的較低熔點焊料。

以類似的方式，單管芯片或雙管芯片封裝（例如IGBT二極管）對使用重型銅引線框和用于電源連接和控制的頂部焊線。如圖3所示，鉛焊線可以用銅夾代替，以改善芯片冷卻。這種配置還提供改進的熱循環性能。與單芯片封裝一樣，用更穩健的頂部連接取代鋁焊線的模塊實現了額外的芯片冷卻、更大的電流密度和改進的功率循環。15多年前就提出了IGBT二極管模塊的雙面冷卻，并已在混合動力電動汽車使用的許多汽車牽引逆變器組件中得到部署。

在基于DBC氧化鋁和氮化鋁的模塊中，頂部連接也使用相同的材料實現。根據頂側芯片接觸面積，典型的實施可以使模塊的熱阻降低30%。雙面冷卻模塊可能需要能夠為非功率導向焊線提供間隙的功能，例如小型柵極和電流感應焊盤。在這些情況下，當需要確保在較高電壓應用中基板之間的氣隙最小時會使用間隔物。墊片可以由導熱和導電材料制成例如銅，但由于傳統硅的芯片尺寸可能非常大12mm x 12mm當使用僅與相對較薄的銅和管芯表面之間的焊接粘合層。在這里間隔件的可行替代解決方案包括復合材料，例如銅-鉬和層壓板，例如銅-殷鋼-銅或銅-鉬-銅。
為確保足夠的功率循環性能和焊接連接的壽命，電流負載分布在多個管芯上，從而降低每個管芯的電流密度。雖然這種方式需要更多設備來實現給定功能，但需要降額以確保穩健的安裝產品壽命。

隨著行業向碳化硅等寬帶隙器件過渡，這些器件的封裝將成為影響新模塊可靠性、性能和成本的關鍵因素。SiC在較高的工作溫度下效率更高，理想的封裝設計應支持這一事實，以提高芯片效率。與硅和SiC一起部署的最有前途的附著材料之一是燒結銀。 如圖1所示，銀是一種近乎理想的附件材料，但其熔點使其無法用作回流金屬。盡管如此，它具有非常高的導熱性，并表現出極具吸引力的低電阻率。所有這些特性都優于焊接，包括功率循環能力，這將在后面討論。
隨著不同類型的燒結銀大批量生產應用的增加，材料類型也在增加。雖然最初的燒結銀應用依賴于銀納米漿料，但薄膜和預成型件已成為可行的產品類型，從而實現了新的制造工藝。晶圓級層壓現在可以用納米銀膜實現。一旦晶圓被層壓，就可以使用標準設備對晶圓進行切割。還開發了一種替代工藝，可以層壓晶圓上的單個芯片，然后立即將它們燒結在目標基板上。這被稱為模具轉移膜工藝。優點是只層壓和燒結已知好的芯片與SiC一起使用時可以提供顯著的優勢。
【文章來源：展至科技】

審核編輯 黃昊宇