隨著新能源汽車(chē)、5G通信、高端裝備制造等的蓬勃發(fā)展，這些領(lǐng)域?qū)β势骷囊笤絹?lái)越高——既要有更高的效率和可靠性，又要壽命更長(zhǎng)，制造步驟盡可能簡(jiǎn)單易行，還要滿足無(wú)鉛監(jiān)管的要求。這些都對(duì)焊接材料和工藝提出了更高、更全面的可靠性要求。
實(shí)現(xiàn)上述要求“非它不可”材料和工藝已經(jīng)在路上，它就是燒結(jié)銀焊料和銀燒結(jié)互連技術(shù)，特別是它將為大功率器件帶來(lái)受用不盡的好處。
從IGBT到硅芯片
隨著電子技術(shù)向高功率、高密度和集成化的方向發(fā)展，對(duì)大功率器件封裝的焊接材料提出了更高的可靠性要求。
先說(shuō)IGBT，芯片技術(shù)的進(jìn)步令其最高工作結(jié)溫和功率密度不斷攀升，其作為新一代功率半導(dǎo)體器件已廣泛應(yīng)用于高鐵、新能源、電動(dòng)汽車(chē)以及智能電網(wǎng)等各個(gè)領(lǐng)域。而傳統(tǒng)IGBT模塊采用Sn-Pb（錫鉛）、Sn-Pb-Ag（錫鉛銀）等合金焊料焊接，其熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱性差，且對(duì)人體和環(huán)境有害，難以滿足高功率電子器件封裝及其高溫應(yīng)用要求。
再說(shuō)碳化硅（SiC），作為第三代半導(dǎo)體的代表，碳化硅芯片可在300℃以上穩(wěn)定工作，模塊溫度可達(dá)到175-200℃。其更強(qiáng)的能量轉(zhuǎn)換效率、更高功率密度、更高耐壓使之逐漸進(jìn)入新能源汽車(chē)等應(yīng)用場(chǎng)景，已成為功能多、體積小、質(zhì)量輕、功耗低、高效率和高可靠性方案的代名詞。而汽車(chē)行業(yè)向純電時(shí)代的轉(zhuǎn)型也成為了功率半導(dǎo)體革命提供了重要驅(qū)動(dòng)力。
功率半導(dǎo)體器件已成為基礎(chǔ)器件
顯而易見(jiàn)，伴隨上述趨勢(shì)，將功率器件封裝成模塊已經(jīng)是普遍采用的做法，而功率模塊能否可靠穩(wěn)定地工作，將直接影響整個(gè)電力轉(zhuǎn)換裝置的可靠運(yùn)行，所以必須保證和提高功率模塊的可靠性，而功率模塊的輕量化及散熱封裝已成為重要的技術(shù)需求。
不管是IGBT還是碳化硅器件，都要求功率模塊在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)情況下有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能和可靠性。而功率模塊的體積縮小的趨勢(shì)會(huì)引起模塊和芯片電流、接線端電壓及輸入功率增加，從而增加熱損耗，產(chǎn)生溫度漂移等情況，嚴(yán)重影響功率器件的可靠性，并加速器件老化。
傳統(tǒng)功率模塊中，芯片通過(guò)軟釬焊接到基板上，連接界面一般為兩相或三相合金結(jié)構(gòu)，在溫度變化過(guò)程中，通過(guò)形成金屬化合物層使芯片、軟釬焊料合金及基板之間形成互連。目前，電子封裝中常用的軟釬焊料為含鉛釬料或無(wú)鉛釬料，其熔點(diǎn)基本在300℃以下，采用軟釬焊工藝的功率模塊結(jié)溫一般低于150℃，當(dāng)應(yīng)用于溫度為175-200℃及以上時(shí)，連接層性能會(huì)急劇退化，影響模塊的可靠性。另外，根據(jù)RoHS指令要求，由于鉛具有毒性，會(huì)對(duì)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生危害，電子產(chǎn)品中禁止已使用含鉛釬料。
因此，開(kāi)發(fā)可以用于高溫、高功率封裝的具有高熱導(dǎo)率和良好綜合性能的新型熱界面互連材料迫在眉睫。
封裝可靠性怎一個(gè)“熱”字了得
目前，IGBT器件的發(fā)展對(duì)熱管理提出了更高的要求，能夠滿足碳化硅大電流密度、高工作溫度和散熱性能好的綠色焊料更是鳳毛麟角。其挑戰(zhàn)主要集中在以下兩個(gè)方面，但都與“熱”有關(guān)。
首先是熱沖擊會(huì)加劇器件老化速率。天津工業(yè)大學(xué)教授梅云輝認(rèn)為：“對(duì)功率模塊來(lái)說(shuō)，抗溫度沖擊以及抗功率循環(huán)老化能力是評(píng)價(jià)功率模塊壽命的重要指標(biāo)，特別是碳化硅等第三代半導(dǎo)體器件的功率密度和工作頻率不斷提升，熱沖擊將進(jìn)一步加劇器件老化速率。”
他指出，典型IGBT模塊包括IGBT和二級(jí)管芯片，幾個(gè)連接部位包括芯片與基板的連接、基板與底板之間的補(bǔ)充連接，都需要建立一個(gè)有效的散熱通道。在兩個(gè)連接中，關(guān)注比較多的是芯片連接，它對(duì)芯片散熱至關(guān)重要。而基板和底板的連接同樣重要，因?yàn)榇竺娣e基板與底板的連接更容易發(fā)生失效。
大面積基板與底板封裝互連更易失效
他解釋說(shuō)，芯片與基板是采用回流焊工藝通過(guò)熔化焊點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的，而在基板與底板二次連接時(shí)需要降低回流焊溫度，以防止芯片與基板的第一次焊點(diǎn)連接發(fā)生焊料重熔。焊料重熔會(huì)導(dǎo)致焊料變得更脆、易失效，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)芯片移位等問(wèn)題。因此，通常會(huì)選取熔點(diǎn)更低的焊料，比較常用的是SnAg3.0Cu0.5焊料。
而且，不僅基板連接焊料熔點(diǎn)低，而且面積大，因此在長(zhǎng)期高溫且伴有耦合震動(dòng)的工況（如汽車(chē)等復(fù)雜工況）下工作，極易出現(xiàn)高溫疲勞蠕變，導(dǎo)致基板與底板的大面積連接發(fā)生失效。
在一些典型IGBT模塊基板與底板封裝中，大面積底板上有2塊半橋型DBC板，或有6塊全橋型6單元形式的DBC板。隨著老化時(shí)間延長(zhǎng)，基板與底板之間大面積互連快速出現(xiàn)失效。分層圖顯示，失效由邊緣不斷向中心擴(kuò)展，極易導(dǎo)致封裝熱阻快速增加，極大地影響模塊的整體散熱效果，進(jìn)一步加速模塊老化失效，并最終使焊料分層斷裂，嚴(yán)重制約模塊在高溫、復(fù)雜工況、震動(dòng)等應(yīng)用中的使用。
大面積基板與底板封裝互連失效情況
其次是集成功率器件的尺寸問(wèn)題。人們通常認(rèn)為器件越小越好，在集成功率器件時(shí)，片芯體積主要取決于額定功率，所以減小片芯體積存在一些限制。如果要一味降低尺寸就可能導(dǎo)致可靠性下降，主要問(wèn)題是半導(dǎo)體結(jié)的溫度。
要充分發(fā)揮功率器件的性能，就意味著要確保器件在安全運(yùn)行范圍內(nèi)工作，所以結(jié)溫一般保持在175℃以下，滿足這一點(diǎn)的關(guān)鍵在于器件工作時(shí)結(jié)的熱量如何散掉。
表面安裝器件實(shí)體模型（上）和熱量耗散模型（下）
很明顯，片芯體積越大，散熱表面積就越大。事實(shí)上，推動(dòng)數(shù)字器件集成制造商的市場(chǎng)力量也在影響模擬和功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，工程師們想要更小的片芯，因?yàn)檫@意味著性能更高，成本更低，但片芯體積會(huì)直接影響結(jié)熱量的散熱速度。
UnitedSiC工程副總裁Anup Bhala認(rèn)為：“在電子產(chǎn)品中，功率器件的體積至關(guān)重要。數(shù)十年來(lái)，行業(yè)發(fā)展一直在遵循摩爾定律，它預(yù)測(cè)晶體管成本會(huì)年年下降。現(xiàn)在，已有人質(zhì)疑摩爾定律的準(zhǔn)確性，但是它對(duì)創(chuàng)造更小、更快、更便宜產(chǎn)品的推動(dòng)卻不會(huì)在短期內(nèi)終結(jié)。”
他指出，對(duì)于功率器件而言，摩爾定律并非金科玉律。確實(shí)是器件越小越好，但是功率半導(dǎo)體在有用的同時(shí)能做到多小存在一些限制。這是因?yàn)槠涑休d電流的能力與物理面積息息相關(guān)。所有半導(dǎo)體都有一個(gè)共同點(diǎn)，即需要將結(jié)處生成的熱量散發(fā)出去。這也是一個(gè)與物理尺寸關(guān)系密切的性能表征。
隨著邏輯晶體管面積不斷減小至亞微米級(jí)尺寸，能夠以更低的總成本實(shí)現(xiàn)更快運(yùn)行并降低損耗。但事實(shí)上，晶體管的進(jìn)一步集成將面臨熱密度方面的挑戰(zhàn)。管理片芯上生成的高溫越來(lái)越重要，尤其是在將數(shù)十萬(wàn)個(gè)晶體管集成到一個(gè)片芯上時(shí)。很明顯，在這種密度下，即使微小的損耗也會(huì)很快出現(xiàn)可能造成損壞的高溫。
對(duì)于功率器件，縮小面積能帶來(lái)同樣的好處，但是，由于涉及的功率電平高得多，熱狀況會(huì)進(jìn)一步降低縮小面積的可能性。這里的關(guān)鍵指標(biāo)是從結(jié)到殼的熱阻，而這一指標(biāo)的重要參數(shù)之一是結(jié)和片芯的物理體積。除此以外，片芯連接到殼的方式是另一個(gè)僅次于體積的相關(guān)熱阻參數(shù)。更進(jìn)一步講，碳化硅芯片可在300℃以上穩(wěn)定工作，預(yù)計(jì)模塊結(jié)溫將達(dá)到175-200℃。
納米銀焊料應(yīng)運(yùn)而生
熱量經(jīng)過(guò)結(jié)和片芯后，遇到的下一個(gè)熱屏障是片芯與封裝的連接點(diǎn)。傳統(tǒng)做法是將接觸點(diǎn)焊接起來(lái)，這個(gè)方法很有效，既易于采用，又比較便宜可靠。不過(guò)，連接處的導(dǎo)熱系數(shù)很關(guān)鍵，既要考慮材料的量和厚度，還要考慮不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)。由于熱量會(huì)朝所有方向散發(fā)，遇到的熱阻不同，散熱速度就會(huì)有快有慢。
梅云輝表示，雖然有很多種方法改善上述窘境，如采用更好的無(wú)鉛焊料等，但改善有限。一個(gè)替代方案是使用能夠燒結(jié)的焊料取代鉛合金焊接方法。這種焊料的導(dǎo)熱系數(shù)往往高得多，而且可以使用更薄的焊料。
銀是很好的材料，銀燒結(jié)層的導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到1.4-2W/cm/℃左右，而鉛焊料的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.25W/cm/℃。
基于納米銀焊料技術(shù)的低溫成形（區(qū)別于焊接）、高溫使用非常有效。因?yàn)榈蜏爻尚尾⒉皇前雁y熔化，而是通過(guò)固相燒結(jié)方式形成連接。形成這樣的連接后，使其熔化的熔點(diǎn)就是銀的熔點(diǎn)，銀的熔點(diǎn)是961℃，這樣二次焊點(diǎn)的選擇余地就大了很多。
也就是說(shuō)，如果將一次焊原來(lái)選擇的300℃熔點(diǎn)的焊料變成900℃以上熔點(diǎn)的焊料，二次焊就可以選擇更高溫度的焊料，大幅提升互連的耐溫性能和高溫可靠性。此外，也可以直接選擇低溫?zé)Y(jié)納米銀焊料做二次焊焊接，且可實(shí)現(xiàn)一次成形。
納米銀焊料的技術(shù)特點(diǎn)
納米銀的前世今生
近年來(lái)，為了解決高溫大功率器件所面臨的問(wèn)題，納米銀低溫?zé)Y(jié)技術(shù)受到了越來(lái)越多研究者的關(guān)注。
其實(shí)，早在上世紀(jì)90年代初，研究人員就通過(guò)微米級(jí)銀粉顆粒燒結(jié)——低溫?zé)Y(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了硅芯片和基板的互連。在制作銀粉過(guò)程中，通常會(huì)加入有機(jī)添加劑，以避免微米級(jí)銀粉顆粒出現(xiàn)聚合。當(dāng)燒結(jié)溫度超過(guò)210℃時(shí)，在氧氣環(huán)境中銀粉的有機(jī)添加劑因高溫分解而揮發(fā)，最后變成純銀連接層，而不會(huì)產(chǎn)生雜質(zhì)相。
整個(gè)燒結(jié)過(guò)程就是銀粉顆粒致密化的過(guò)程，可以形成良好的機(jī)械連接層。雖然銀的熔點(diǎn)高達(dá)961℃，但燒結(jié)溫度遠(yuǎn)低于該溫度，也不會(huì)產(chǎn)生液相。另外，要達(dá)到230-250℃的燒結(jié)溫度，還要用輔助加壓設(shè)備提供約40MPa的壓力，以加快銀焊料燒結(jié)。這種方法可以得到更好的熱電及機(jī)械性能，接點(diǎn)空隙率低，熱疲勞壽命也超出了傳統(tǒng)焊料10倍以上。但是，人們發(fā)現(xiàn)輔助壓力過(guò)大會(huì)在一定程度上損傷芯片，且經(jīng)濟(jì)投入較大，嚴(yán)重限制了其在芯片封裝領(lǐng)域的應(yīng)用。
之后的研究發(fā)現(xiàn)，由于納米尺寸效應(yīng)，納米銀材料的熔點(diǎn)和燒結(jié)溫度均低于微米銀，連接溫度可以低于200℃，輔助壓力也可以降至1-5MPa，即使這樣，連接層仍能保持較高的耐熱性和很好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電能力。燒結(jié)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)自體系表面能和體系缺陷能，顆粒尺寸越小，其比表面積越大，表面能也越高，驅(qū)動(dòng)力就越大。外界對(duì)系統(tǒng)施加的壓力、系統(tǒng)內(nèi)的化學(xué)勢(shì)差以及接觸顆粒間的應(yīng)力也是銀原子擴(kuò)散遷移的驅(qū)動(dòng)力。
這種方法得到的連接層為多孔結(jié)構(gòu)，空洞尺寸在微米及納米級(jí)別。在連接層孔隙率為10%的情況下，其導(dǎo)熱及導(dǎo)電率可達(dá)純銀的90%，遠(yuǎn)高于普通軟釬焊料。
銀燒結(jié)互連示意圖
在功率模塊封裝方面，為了獲得更高的可靠性，一些功率半導(dǎo)體頭部公司爭(zhēng)相推出類(lèi)似技術(shù)。
·2006年英飛凌在Easypack功率模塊中分別采用了單面銀燒結(jié)技術(shù)和雙面銀燒結(jié)技術(shù)。高溫循環(huán)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)軟釬焊工藝，采用單面銀燒結(jié)技術(shù)的模塊壽命提高了5-10倍；雙面銀燒結(jié)模塊壽命超過(guò)了10倍。
·2007年，賽米控推出采用精細(xì)銀粉，在高壓及大約250℃條件下燒結(jié)為低氣孔率銀層的SKiNTER功率模塊。其功率循環(huán)能力提升了2-3倍，燒結(jié)層厚度減少約70%，熱導(dǎo)率提升3倍左右。測(cè)試表明，由于散熱性差導(dǎo)致的熱應(yīng)力，標(biāo)準(zhǔn)錫銀焊接在125℃就會(huì)老化；而芯片與DCB之間燒結(jié)的模塊使用壽命更長(zhǎng)。
焊接功率模塊與燒結(jié)功率模塊最終的失效機(jī)理
·2012年，英飛凌推出.XT互連技術(shù)，芯片和基板之間采用銀燒結(jié)工藝連接。循環(huán)試驗(yàn)表明，無(wú)底板功率模塊壽命提升達(dá)2個(gè)數(shù)量級(jí)，有底板模塊壽命提升超過(guò)10倍。英飛凌也是在芯片與DCB之間用了銀燒結(jié)技術(shù)（約20μm）來(lái)提升可靠性。
大功率IGBT模塊中的.XT技術(shù)
·2015年，三菱電機(jī)采用銀燒結(jié)技術(shù)制作出功率模塊，循環(huán)壽命是軟釬焊料的5倍左右。
為什么銀燒結(jié)技術(shù)用的還不多？
銀燒結(jié)技術(shù)具有方面的成本效益，包括高吞吐量、低資本成本、高良率和低人工成本等。時(shí)至今日，已經(jīng)有不少?gòu)S商提供采用銀燒結(jié)技術(shù)制造的功率模塊，為此提供納米銀焊料及相關(guān)材料的廠商也有一些。但事實(shí)上，設(shè)計(jì)領(lǐng)域的許多工程師并不了解半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)和制造的細(xì)節(jié)，特別是銀燒結(jié)技術(shù)。
銀燒結(jié)技術(shù)的成本效益
功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，尤其是在基于碳化硅等寬帶隙材料的器件中，采用銀燒結(jié)會(huì)可以為最終應(yīng)用帶來(lái)實(shí)際價(jià)值。所以，該技術(shù)在成本方面利好汽車(chē)領(lǐng)域，但對(duì)其他成本管控更嚴(yán)的方案，還是希望退而求其次，使用高溫低成本無(wú)鉛焊料、高溫焊點(diǎn)、有鉛焊料等，從而在保證高溫可靠性的前提下降低成本。
雖然目前大部分功率半導(dǎo)體還沒(méi)有采用銀燒結(jié)技術(shù)，但是專(zhuān)家預(yù)計(jì)，隨著時(shí)間推移，這種情況會(huì)有所改觀。正是由于為組件級(jí)和系統(tǒng)集成方面帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，采用銀燒結(jié)技術(shù)將可能成為各種大功率器件封裝的標(biāo)配。
