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SiC 功率器件封裝解決方案

作者：偉邦材料發布時間：2020-08-06 10:48 瀏覽次數 :

Die Top System（DTS）一種適用于SiC功率半導體器件封裝的材料系統，也是目前適用范圍最廣，無IP限制，可在結溫200℃及以上環境中使用的新型材料。

2020 新的十年已經開啟，高速率，低延時的5G 技術將會在未來的十年內被廣泛應用，萬物互聯的時代已不會太遠。而時代的進步需要大量的能源支持，資源過度開發，溫室效應等環境問題一直困擾著人類，節能減排已迫在眉睫。隨著新能源汽車大量進入市場，對電能的需求量將會與日俱增，如何高效的利用電能并且降低能耗，功率半導體作為核心器件無疑將在其中扮演重要角色。

從整個行業來看，芯片材料已經發展到第三代，由于第一代元素半導體材料制造工藝成熟并且價格相對較低，所以目前Si 依然是最主要的芯片材料，但是在通訊、微波等領域以GaAs 為代表的化合物半導體材料，具有高頻、高速等特點，在微波、毫米波及發光器件中被大量應用，又因第二代半導體材料稀缺，價格昂貴并且還有毒性，所以第三代寬禁帶半導體SiC 和GaN 材料憑借著自身優異的性能及市場巨大的潛力，已成為新的寵兒。

半導體材料性能比較
半導體材料		帶隙（eV）	熔點（K）	主要應用
第一代半導體材料	硅Si	1.11	1687	低壓，低頻，中頻，功率晶體管
第二代半導體材料	砷化鎵GaAs	1.4	1511	微波，毫米波器件，發光器件
第三代半導體材料	碳化硅SiC	3.05	2826	高溫，高頻，抗輻射、大功率器件
第三代半導體材料	氮化鎵GaN	3.4	1973	高頻，抗輻射，藍、綠、紫發光二極管，激光器

表格1：來源自網絡分享

和第一代、第二代半導體材料相比，第三代半導體具有高溫、高功率、高耐壓、高頻等特點，在功率半導體市場已經初露鋒芒。又因其具有較寬的帶隙，所以它們的開關速度會更快、更高效，甚至還具有抗輻射的能力，因此應用在極端環境更突顯其優勢。我們知道GaN 和Si 材料對比可以做到在高壓、高頻下無損耗，在更高功率密度下，可以做到更小體積以及更好的散熱性能，所以在200-600V 左右的領域GaN 具有絕對優勢，并且已經在手機快充行業顯露頭角。SiC 目前主要以MOSFET 器件在電動汽車中被大量應用，更小的導通電阻和開關頻率，不僅可以降低損耗而且更小的體積也為電動車節省更多空間。又因較好的抗輻射和耐高溫的能力，從而大大提高器件的可靠性。因此目前SiC 在大于600V 的能源轉換領域具有更多優勢。圖1是GaN 和SiC 兩種材料的發展趨勢。

圖片1：來源自網絡分享

雖然Si 材料的器件在整個市場依然擁有90% 以上的市場份額，但是隨著終端應用技術的拓展在一些如新能源汽車、軌道交通、智能電網等關鍵領域，SiC 取代傳統的Si 是必然趨勢。Si 器件工作溫度大多在150 ℃，通常最高不會超過185℃，但是SiC 器件在性能提升的同時，其工作溫度也達到了近200℃甚至更高，這對SiC 器件的封裝材料及工藝技術提出了更高的要求。

鋁絲和焊層疲勞是導致器件失效的主要原因，通過功率循環測試的數據進行科學統計得出規律，失效模式多見為鋁絲脫鍵和焊層開裂及分層，所以在半導體器件中芯片級互聯和焊接材料被公認為是除了芯片以外最為關鍵的兩種材料。現在如果仍然將傳統的封裝方案應用在SiC 器件上，并且使其長期處于200℃的工作環境中，器件可靠性將會大大降低。（圖2 所示為功率器件在功率循環測試下的失效模式）

圖片2：來源自網絡分享

如何解決器件因封裝材料過度老化而引起的可靠性問題，這是封裝行業長期以來研究的課題。在功率半導體器件中芯片級別99% 的封裝方案都是選擇使用鋁絲鍵合與合金焊料組合的方案，一般我們的材料會有多種型號來滿足客戶的不同的應用需求，比如說鋁絲根據添加不同的微量元素可分為5N 高純鋁絲，高可靠性4N 鋁絲、高強度AlSi 絲和適合高溫環境AlMg 絲等。而對于合金焊料的選擇主要根據合金的熔點可大致分為有鉛焊料和無鉛焊料。那么如何找到一款適合SiC 器件的封裝方案，則需要投入更多的研究。如圖3 是我們使用了4 種不同材料的相互組合的封裝方案并進行了功率循環測試的結果。

圖片3：來源自賀利氏

通過實驗結果我們發現相同芯片前提下，功率器件的壽命，在使用強度更高的互聯材料和導熱更好的焊接材料的組合方案是使用鋁線和合金焊料組合方案的6 倍，通過這個對比測試，我們發現銅是一款比較理想的互聯材料，而且在業內已經將燒結銀作為下一代的芯片焊接材料。如表格2 銅鋁材料特性對比，表格3燒結銀和合金焊料的特性對比。

特性	單位	鋁	銅
熔點	℃	660	1084
熱導率	W/(m·K)	230	399
線性膨脹系數	ppm/K	23	17
導電率	A/(V·m)	37.7x10⁶	59.1x10⁶
抗拉強度	MPa	40-50	200-300
彈性模量	GPa	70	100-300
維氏硬度	Mpa	167	369
密度	g/cm3	2.7	8.96

表格2：來源自網絡收集

特性	單位	合金焊料	燒結銀
元素	-	有鉛或無鉛	無鉛
熔化溫度	℃	290 - 310	961
加工溫度	℃	360 - 400	230
熱導率	W/mK	＜50	＞200
導電率	MΩ/cm	0.01 - 0.03	≤0.01 MΩ/cm
熱膨脹系數	ppm/K	25 - 30	15 - 19

表格3：來源自網絡收集

從表格2 中可以看到，雖然銅的各項特性優于鋁，但其硬度卻是鋁的2 倍，在鍵合測試中使用和鋁絲相同直徑的銅絲會對芯片表面造成不同程度的損傷，經多次參數調整后依然無法解決，所以想要在芯片表面實現銅絲鍵合，那么它的頂部需要有強度更高的金屬鍍層。我們知道功率芯片頂部金屬化處理常見工藝為鍍鋁，鍍銀和鍍金，這些材料質感偏軟都無法實現在其表面直接銅絲鍵合。目前只有少數公司擁有芯片表面鍍銅技術可實現銅絲鍵合工藝，但是芯片頂部鍍銅工藝較復雜，而且成本很高無法實現批量生產，因此賀利氏使用銀燒結技術將一層特殊設計的銅箔燒結在芯片頂部，經過與客戶多年的合作并在產品中驗證，在芯片頂部燒結的這層銅箔，完全可以承受銅絲鍵合過程中較大的壓力及超聲功率。賀利氏電子將實現在芯片表面進行銅絲鍵合的產品命名為Die Top System(DTS), 如圖片4 所示為DTS 的結構圖。

圖片4：來源自賀利氏

其實確切的說賀利氏電子的DT S 不是某一款單一的材料，而是一系列材料的集合，其中包含了帶多功能表面的銅箔、預涂/ 預干燥的燒結銀、固晶粘結劑（可選），再搭配上賀利氏的鍵合銅絲，帶壓燒結銀膏（適用于基板表面鍍銀/裸銅）、金屬陶瓷基板（可局部鍍銀）。該方案不僅和鋁絲鍵合工藝一樣具有極高的靈活性，而且還具有比鋁絲性能更高的導電性、導熱性和與芯片互連的可靠性。當然除此之外D T S 的標準包裝使用1 2 英寸的晶圓框架，內部銅箔為8 英寸，可以幫助客戶在工業化生產階段，簡化工藝流程，最大程度提高盈利能力，加快新一代功率器件的上市步伐。圖片5 是我們根據相關設備的工藝能力，為客戶定制的D T S 工藝流程，可實現自動化生產。

DTS 包含的所有材料均是賀利氏自己產品，比如像鍵合銅絲PowerCuSoft、燒結銀膏mAgic、陶瓷覆銅基板Condura 等都是客戶所熟悉的產品，而且也都作為高可靠性材料在各種環境中被大量應用，所以DTS 集成了這么多優秀的產品，在可靠性方面也給客戶交出了滿意的答卷。如圖6 所示通過功率循環測試比較，在使用DTS、燒結銀和DBC 基板產品組合的封裝方案整體壽命比使用鋁絲、SnAg 合金焊料和DBC基板組合的封裝方案要高出67 倍，如果將DCB 基板換成熱阻更小陶瓷耐沖擊更好的AMB-Si3N4 基板, 我們相信在可靠性方面將會有更大的提升。

圖片6：來源自賀利氏

圖片7：來源自賀利氏

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