引言

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體材料，以其優(yōu)異的物理和化學(xué)性能在高壓、高頻、高溫等惡劣環(huán)境下展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。尤其在雷達(dá)陣面高功率密度的需求下，SiC寬禁帶半導(dǎo)體器件逐步取代傳統(tǒng)硅功率器件。然而，SiC功率器件的高結(jié)溫和高功率特性對(duì)封裝技術(shù)提出了更高的要求。納米銀燒結(jié)技術(shù)作為一種先進(jìn)的界面互連技術(shù)，以其低溫?zé)Y(jié)、高溫使用的優(yōu)點(diǎn)和良好的高溫工作特性，成為大功率器件封裝的首選。本文將詳細(xì)探討納米銀雙面燒結(jié)SiC半橋模塊封裝技術(shù)，包括其原理、工藝步驟、優(yōu)化方法以及性能測(cè)試等。

SiC半橋模塊概述

SiC半橋模塊是構(gòu)成逆變電路、脈沖寬度調(diào)制（PWM）整流電路、多電平變流器等眾多電力電子電路的基本單元。SiC MOSFET半橋模塊以其高電壓、大電流、低開關(guān)損耗和高溫穩(wěn)定性等特點(diǎn)，在電力電子系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。為了滿足雷達(dá)陣面高功率密度的需求，SiC寬禁帶半導(dǎo)體器件在電源模塊應(yīng)用中逐步取代傳統(tǒng)硅功率器件。然而，傳統(tǒng)焊接及導(dǎo)電膠粘工藝存在導(dǎo)電性能差、熱阻大、高溫蠕變等缺點(diǎn)，無(wú)法發(fā)揮SiC功率器件的優(yōu)勢(shì)。納米銀燒結(jié)技術(shù)作為一種先進(jìn)的界面互連技術(shù)，成為解決這一問題的有效途徑。

納米銀燒結(jié)技術(shù)原理

納米銀燒結(jié)技術(shù)利用納米銀顆粒的尺寸效應(yīng)，在低溫下通過(guò)施加溫度、壓力和時(shí)間三個(gè)驅(qū)動(dòng)力，使銀顆粒形成致密的燒結(jié)體。這種燒結(jié)體具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和機(jī)械強(qiáng)度，能夠在高溫下保持穩(wěn)定工作。與傳統(tǒng)的焊料合金相比，納米銀燒結(jié)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

低溫?zé)Y(jié)高溫使用：納米銀燒結(jié)可以在較低的溫度下進(jìn)行，但燒結(jié)后的連接層可以在高溫下保持穩(wěn)定工作。

高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性：納米銀燒結(jié)層的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)焊料，能夠顯著降低芯片與基板之間的熱阻和電阻。

良好的機(jī)械強(qiáng)度：納米銀燒結(jié)層具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，能夠承受大電流、高電壓帶來(lái)的大功率應(yīng)用需求。

優(yōu)異的可靠性：納米銀燒結(jié)連接層能夠在溫度和應(yīng)力循環(huán)過(guò)程中保持固相連接層的強(qiáng)度，具有較長(zhǎng)的使用壽命。

納米銀雙面燒結(jié)SiC半橋模塊封裝工藝流程

納米銀雙面燒結(jié)SiC半橋模塊封裝技術(shù)主要包括以下幾個(gè)步驟：

基板預(yù)處理：選擇氮化鋁DBC（直接鍵合陶瓷）基板作為封裝基板，并進(jìn)行清洗和干燥處理，以去除基板表面的污染物和水分。

納米銀焊膏涂覆：在DBC基板的上表面絲網(wǎng)印刷一層納米銀焊膏，并通過(guò)預(yù)烘烤去除多余的有機(jī)溶劑。這一步驟的關(guān)鍵在于控制納米銀焊膏的涂覆厚度和均勻性，以確保燒結(jié)后的連接層質(zhì)量。

SiC芯片有壓燒結(jié)：將SiC芯片放置于納米銀焊膏上，并使用燒結(jié)壓機(jī)進(jìn)行有壓輔助燒結(jié)。燒結(jié)溫度、壓力和時(shí)間等參數(shù)需要根據(jù)具體工藝進(jìn)行優(yōu)化。有壓燒結(jié)可以提高燒結(jié)層的致密度和機(jī)械強(qiáng)度。

納米銀無(wú)壓燒結(jié)：在SiC芯片上方，使用點(diǎn)膠機(jī)將納米銀無(wú)壓燒結(jié)漿料涂覆在芯片和基板表面，進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)。無(wú)壓燒結(jié)適用于芯片正面與基板之間的互連，可以避免因壓力不均導(dǎo)致的芯片損傷。

柵極引線鍵合：使用金絲或鋁絲將SiC芯片的柵極與基板上的引線進(jìn)行鍵合，實(shí)現(xiàn)電氣互聯(lián)。

端子焊接與封裝：在DBC基板上的外部連接端子使用噴射式點(diǎn)膠的錫銀銅無(wú)鉛焊錫膏進(jìn)行焊接。最后，使用硅膠將模塊進(jìn)行絕緣封裝。

成型焊片設(shè)計(jì)與制備

成型焊片是納米銀雙面燒結(jié)SiC半橋模塊封裝技術(shù)中的關(guān)鍵組件。其設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮功率器件的焊片尺寸、電流傳輸特性、最大結(jié)溫等因素。通過(guò)熱機(jī)應(yīng)力的仿真及優(yōu)化，可以得到最佳的成型焊片結(jié)構(gòu)。成型焊片的加工和制備對(duì)后續(xù)互聯(lián)的可靠性至關(guān)重要，需要對(duì)焊片的鍍層體系、結(jié)構(gòu)形式、內(nèi)在應(yīng)力等展開相關(guān)研究。

在成型焊片的設(shè)計(jì)中，穿孔結(jié)構(gòu)形式被證明是有效的。這種結(jié)構(gòu)不僅可以起到壓力釋放的作用，還可以作為擴(kuò)散溝道滿足無(wú)壓力燒結(jié)納米銀膠料的氧化需求。通過(guò)仿真分析和優(yōu)化，可以選擇合適的焊片厚度，以平衡應(yīng)力釋放和加工變形之間的矛盾。

工藝優(yōu)化與性能測(cè)試

為了優(yōu)化納米銀雙面燒結(jié)SiC半橋模塊封裝技術(shù)，需要進(jìn)行大量的工藝試驗(yàn)和性能測(cè)試。以下是一些關(guān)鍵的優(yōu)化方法和測(cè)試內(nèi)容：

燒結(jié)界面微觀分析：通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS）等手段，對(duì)燒結(jié)界面進(jìn)行微觀分析，觀察燒結(jié)層的致密度、孔隙率和元素分布等特性。

芯片剪切強(qiáng)度和焊片剝離強(qiáng)度測(cè)試：通過(guò)剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度測(cè)試，評(píng)估燒結(jié)連接層的機(jī)械強(qiáng)度。這些測(cè)試對(duì)于確保模塊在長(zhǎng)期使用過(guò)程中的可靠性至關(guān)重要。

靜態(tài)測(cè)試和雙脈沖測(cè)試：對(duì)封裝好的SiC半橋模塊進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試和雙脈沖測(cè)試，評(píng)估其電氣性能和開關(guān)特性。靜態(tài)測(cè)試主要包括柵極泄漏電流、漏極電壓等參數(shù)的測(cè)量；雙脈沖測(cè)試則用于評(píng)估模塊的開關(guān)切換時(shí)間、漏極電壓過(guò)沖等動(dòng)態(tài)性能。

通過(guò)優(yōu)化燒結(jié)工藝參數(shù)和測(cè)試性能，可以得到滿足產(chǎn)品應(yīng)用需求的SiC半橋模塊。例如，某研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化納米銀燒結(jié)工藝，得到了柵極泄漏電流小于1.5 nA、開關(guān)切換時(shí)間小于125 ns、漏極電壓過(guò)沖小于12.5%的SiC半橋模塊。

結(jié)論與展望

納米銀雙面燒結(jié)SiC半橋模塊封裝技術(shù)以其低溫?zé)Y(jié)、高溫使用的優(yōu)點(diǎn)和良好的高溫工作特性，成為大功率器件封裝的首選。通過(guò)優(yōu)化成型焊片設(shè)計(jì)、納米銀焊膏涂覆、有壓和無(wú)壓燒結(jié)等關(guān)鍵工藝步驟，可以得到具有高可靠性、高性能的SiC半橋模塊。

未來(lái)，隨著納米銀燒結(jié)技術(shù)的不斷發(fā)展和成本的降低，其在SiC功率器件封裝中的應(yīng)用將更加廣泛。同時(shí)，結(jié)合先進(jìn)的集成封裝工藝技術(shù)，可以進(jìn)一步提升模塊的可靠性、性能和成本效益。此外，還需要對(duì)納米銀雙面燒結(jié)技術(shù)在高溫環(huán)境中長(zhǎng)期應(yīng)用的可靠性、高溫銀擴(kuò)展風(fēng)險(xiǎn)等方面開展進(jìn)一步的研究，以推動(dòng)其在電力電子領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

綜上所述，納米銀雙面燒結(jié)SiC半橋模塊封裝技術(shù)是一種具有廣闊應(yīng)用前景的先進(jìn)封裝技術(shù)。通過(guò)不斷優(yōu)化工藝和性能測(cè)試，可以為SiC功率器件在高壓、高頻、高溫等惡劣環(huán)境下的應(yīng)用提供有力支持。