SiC芯片功率模塊封裝技術的新挑戰
[發布日期：2021-11-19 10:49:37] 點擊：
化合物半導體市場SiC功率模塊封裝技術的新挑戰
New challenge
01 引線鍵合和復雜的內部互連結構帶來的問題
引線鍵合和復雜的內部互連結構帶來較大的寄生電容和寄生電感。SiC 功率芯片的開關速度可以更快，因而電壓和電流隨時間的變化率(dv/dt
和di/dt)就更大，這會對驅動電壓的波形帶來過沖和震蕩，會引起開關損耗的增加，嚴重時甚至會引起功率器件的誤開關，因此 SiC
功率器件對寄生電容和寄生電感更加敏感。
傳統Si基功率模塊封裝存在寄生參數過高，散熱效率差的問題，這主要是由于傳統封裝采用了引線鍵合和單邊散熱技術，針對這兩大問題，SiC
功率模塊封裝在結構上采用了無引線互連(wireless interconnection)和雙面散熱(double-side
cooling)技術，同時選用了導熱系數更好的襯底材料，并嘗試在模塊結構中集成去耦電容、溫度/電流傳感器以及驅動電路等，研發出了多種不同的模塊封裝技術。
直接導線鍵合結構(DLB，Direct-LeadBonding)
直接導線鍵合結構如圖
1[3]所示，該結構最大的特點就是利用焊料，將銅導線與芯片表面直接連接在一起，相對引線鍵合技術，該技術使用的銅導線可有效降低寄生電感，同時由于銅導線與芯片表面互連面積大，還可以提高互連可靠性。三菱公司利用該結構開發的
IGBT 模塊，相比引線鍵合模塊內部電感降低至 57%，內部引線電阻減小一半[4]。
SKiN 結構
SKiN 結構如圖 2[5]所示，該模塊結構也是一種無引線鍵合的結構，它采用了雙層柔軟的印刷線路板同時用于連接 MOSFET
和用作電流通路，賽米控(SEMIKRON)公司采用該種結構開發的 1 200 V/ 400 A(8 個 50A SiC MOSFET
芯片并聯)半橋功率模塊的寄生電感小于 1.4 nH。
賽米控平面互連工藝(SiPLIT)
賽米控平面互連工藝如圖
3[6]所示，該結構在將功率芯片與覆銅陶瓷版連接后，在芯片的正面利用真空層壓工藝制備一層高可靠性的絕緣薄膜，然后在薄膜表面淀積一層 50～200 μm
厚的銅作為互連。與鋁線鍵合工藝相比，由于厚銅與襯底的接觸面積增大，該結構可以降低 20% 的熱阻以及 50% 的寄生電感，并且可以提高功率循環性能。
2.5D 和 3D 模塊封裝結構
為進一步降低寄生效應，使用多層襯底的 2.5D 和3D 模塊封裝結構被開發出來用于功率芯片之間或者功率芯片與驅動電路之間的互連。在 2.5D
結構中，不同的功率芯片被焊接在同一塊襯底上，而芯片間的互連通過增加的一層轉接板中的金屬連線實現，轉接板與功率芯片靠得很近，需要使用耐高溫的材料，低溫共燒陶瓷(LTCC)轉接板常被用于該結構，圖
4[7]為一種 2.5D 模塊封裝結構。
而在 3D 模塊封裝結構中，兩塊功率芯片或者功率芯片和驅動電路通過金屬通孔或凸塊實現垂直互連，圖
5[8]是一種利用緊壓工藝(Press-Pack)實現的 3D 模塊封裝，這種緊壓工藝采用直接接觸的方式而不是引線鍵合或者焊接方式實現金屬和芯片間的互連，如圖
5 所示，該結構包含3 層導電導熱的平板，平板間放置功率芯片，平板的尺寸由互連的芯片尺寸以及芯片表面需要互連的版圖結構確定，整個結構的厚度一般小于 5
mm。圖示封裝結構有限元模擬的表面結果，其寄生電感僅 0.86 nH。
圖6[9]是另一種 3D
模塊封裝結構，該結構通過低溫共燒陶瓷工藝，實現了功率芯片和驅動電路的垂直互連，該結構還可以方便地將被動元件集成在低溫共燒陶瓷襯底上。
02 功率器件散熱方面高要求帶來的問題
SiC 功率器件在散熱方面具有更高的要求。SiC 器件可以工作在更高的溫度下，在相同功率等級下，其功率模塊較 Si
功率模塊在體積上大幅降低，因此對散熱的要求就更高。如果工作時的溫度過高，不但會引起器件性能的下降，還會因為不同封裝材料的熱膨脹系數(CTE)失配以及界面處存在的熱應力帶來可靠性問題。
傳統的硅基功率模塊工作溫度一般低于 175
℃，而碳化硅功率模塊會工作在更高的溫度下和更大的電場下，因此對封裝材料在熱電可靠性方面提出了更高的要求。
鍵合引線材料
盡管無引線鍵合可以有效地降低功率模塊的寄生電感，但引線鍵合作為一種工藝成熟、低成本的互連技術仍廣泛應用于功率模塊封裝以及 TO
系列分立器件封裝中。
互聯材料一覽
近年來，隨著功率器件封裝要求的提高，引線鍵合材料也得到了新的發展，如大功率器件上的鋁帶鍵合技術實現了對鋁線鍵合技術的替代。
其實“絲”和“帶”是兩種常見并且有鮮明特點的鍵合材料，比較容易選擇，筆者認為鍵合帶具有更大的優勢。
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