SiC混合功率模塊封裝工藝

徐文輝，陳　云，王　立

（揚(yáng)州國(guó)揚(yáng)電子有限公司，江蘇揚(yáng)州225100）

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SiC混合功率模塊封裝工藝

徐文輝，陳云，王立

（揚(yáng)州國(guó)揚(yáng)電子有限公司，江蘇揚(yáng)州225100）

摘要：SiC（碳化硅）材料作為第三代半導(dǎo)體材料，具有高結(jié)溫、高臨界擊穿電壓、高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，因此，SiC材料有利于實(shí)現(xiàn)功率模塊的小型化并提高功率模塊的高溫性能。基于此，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)模塊的自主可控化，將Si模塊中的Si二極管用自主SiC二極管進(jìn)行替代，制作SiC混合功率模塊。主要介紹混合功率模塊封裝工藝的關(guān)鍵工序：回流、鋁線鍵合、點(diǎn)膠、灌膠。

關(guān)鍵詞：SiC；功率模塊；回流；鍵合；點(diǎn)膠；灌膠

1　引言

SiC是自第一代元素半導(dǎo)體材料Si和第二代化合物半導(dǎo)體材料（砷化鎵、磷化鎵、磷化銦）之后發(fā)展起來(lái)的第三代半導(dǎo)體材料。采用一、二代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料制作的集成電路與器件無(wú)法在高溫環(huán)境下持續(xù)工作，且輸出功率低，受高頻、高腐蝕等條件的影響嚴(yán)重；與之相比，SiC寬禁帶半導(dǎo)體材料具有寬禁帶、高臨界擊穿電壓、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和漂移速度等特點(diǎn)，相應(yīng)開(kāi)發(fā)的半導(dǎo)體器件及模塊在高溫下具有良好的轉(zhuǎn)換特性和工作能力，能有效提高轉(zhuǎn)換效率和工作溫度，降低對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求，在航空航天、混合動(dòng)力裝置、高效光伏/風(fēng)電系統(tǒng)、油氣鉆探、核電設(shè)備等領(lǐng)域需在300～500℃工作的高溫電路和器件中具有重要的應(yīng)用價(jià)值[1]。同等功率下，相比Si器件，SiC器件體積更小，更容易實(shí)現(xiàn)功率模塊的小型化及輕量化。

為了提高現(xiàn)有Si器件產(chǎn)品的性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)元器件的自主可控化，將原模塊中的Si二極管用自主SiC二極管進(jìn)行替代，制作SiC混合功率模塊。本文主要介紹SiC混合功率模塊的封裝工藝關(guān)鍵工序：回流、鋁線鍵合、點(diǎn)膠、灌膠。

2　模塊結(jié)構(gòu)

模塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

銅底板主要用于模塊工作時(shí)的散熱；焊接層為錫膏或者錫片焊接，用于底板和DBC（雙面覆銅陶瓷基板）以及DBC和芯片之間的連接；DBC實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所需電路結(jié)構(gòu)；鍵合鋁線實(shí)現(xiàn)各部件的電路連接。

模塊外部結(jié)構(gòu)主要為外殼體和端子，外殼通過(guò)點(diǎn)膠工藝和底板相連，端子一般注塑到殼體內(nèi)部，通過(guò)鍵合線與內(nèi)部電路相連或者直接焊接到DBC。模塊內(nèi)部需要灌注硅膠，其作用是防腐防潮保護(hù)內(nèi)部電路，同時(shí)又對(duì)內(nèi)部各部件進(jìn)行高壓隔離。

3　主要工藝流程

模塊封裝工藝主要包括回流焊接、鋁線鍵合、點(diǎn)膠、灌膠工藝。

3.1回流焊接

一次回流焊接主要實(shí)現(xiàn)芯片和DBC的連接，二次回流焊接主要實(shí)現(xiàn)DBC和底板之間的連接。

隨著全球環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，越來(lái)越多的組織或公司禁止鉛在電子工業(yè)中的應(yīng)用，因此需要選擇一種無(wú)鉛焊料替代原來(lái)普遍使用的錫鉛焊料。

在功率模塊生產(chǎn)工藝中，目前一般使用SnAg（錫銀）、SnAgCu（錫銀銅）合金焊料替代錫鉛焊料。SnAg焊料成分比為Sn:Ag=96.5:3.5，熔點(diǎn)為221℃；SnAgCu焊料成分比Sn:Ag:Cu=96.5:3:0.5，熔點(diǎn)為217℃[2]。由于SnAg焊料熔點(diǎn)相對(duì)較高，為了防止二次回流焊接時(shí)SnAg焊料熔化，因此SnAg焊料一般用于一次回流焊接，用于芯片和DBC之間的連接；SnAgCu一般用于二次回流焊接，用于DBC和底板之間的連接。

焊接過(guò)程主要分為以下4個(gè)階段[2]。

（1）預(yù)熱區(qū)：使各部件達(dá)到熱平衡狀態(tài)，焊料中的溶劑、氣體蒸發(fā)掉，同時(shí)焊料軟化、塌落、覆蓋焊接區(qū)域，該過(guò)程要保證升溫緩慢均勻，溶劑的揮發(fā)較為溫和，對(duì)元器件的熱沖擊盡可能小，升溫過(guò)快會(huì)造成對(duì)元器件的損傷。

（2）保溫區(qū)：各部件得到充分的預(yù)熱，以防突然進(jìn)入焊接高溫區(qū)而損壞元器件。

（3）焊接區(qū)：溫度迅速上升使焊料達(dá)到熔化狀態(tài)，液態(tài)焊料在焊接區(qū)域潤(rùn)濕、擴(kuò)散。

（4）冷卻區(qū)：冷卻速度要比預(yù)熱速率略高，使焊料凝固，完成回流焊接。

焊接完成之后，需要對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)項(xiàng)目為空洞率，檢驗(yàn)手段為X光透射和超聲掃描，X光透射效率較高，但是由于功率限制，其只能穿透較薄物體（如DBC），難以穿透較厚的物體（如銅底板）；而超聲掃描可以進(jìn)行較厚物體的掃描，但是工作效率較低。因此，對(duì)于一次回流焊接后芯片底部的空洞率測(cè)試采用X光透射，對(duì)于二次回流焊接后DBC底部的空洞率測(cè)試采用超聲掃描?？斩绰室话阋髥蝹€(gè)空洞率不超過(guò)1％，總空洞率不超過(guò)3％[3]。圖2為芯片底部的X光透射照片，圖3為DBC底部的超聲掃描照片。

圖2　X光透射照片

圖3　超聲掃描照片

3.2鋁線鍵合

鍵合是利用超聲換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲振動(dòng)，超聲振動(dòng)在通過(guò)裝置于換能器上的焊接工具傳遞到兩個(gè)需焊接的物體表面，在一定壓力下兩個(gè)物體表面相互摩擦形成原子間的熔合而達(dá)到連接的目的[4]。圖4為鋁線鍵合的外觀。

鍵合一般分為金線、銅線、鋁線鍵合，功率模塊生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的是粗鋁線（102～508 μm）鍵合，因?yàn)楝F(xiàn)工藝技術(shù)條件下，鋁線鍵合能做到的線徑較大，承載電流能力較強(qiáng)。

鋁線鍵合表面一般是鋁、銅、鎳、金、銀，所以對(duì)于一些不易鍵合的材料可以通過(guò)表面處理附上一定厚度的可鍵合金屬使其獲得可鍵合性。研究表面，具有面心立方結(jié)構(gòu)的金屬有較好的可鍵合性能，這種結(jié)構(gòu)除頂角上有原子外，在晶胞立方體6個(gè)面的中心處還有6個(gè)原子，故稱為面心立方，常見(jiàn)金屬中，鋁、銅、鎳、金、銀、γ-鐵都屬于這種結(jié)構(gòu)[5]。圖5為面心立方結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖4　鋁線鍵合外觀

圖5　面心立方結(jié)構(gòu)示意圖

鍵合的焊接影響深度約為1％線徑，因此對(duì)于一些需要電鍍或者化學(xué)鍍的鍵合表面，其鍍層厚度必須大于這個(gè)1％線徑厚度，因此鋁線鍵合工藝對(duì)表面金屬層的厚度要求一般大于5 μm。

功率模塊生產(chǎn)中，粗鋁線鍵合工藝最常用的線是99.99％純鋁線；但在一些特殊的場(chǎng)合中，比如一些難以鍵合的界面，會(huì)選擇99.999％（五九）純鋁線進(jìn)行鍵合，這種非常軟的線有助于鍵合工藝的實(shí)現(xiàn)，但是這種鋁線的長(zhǎng)期可靠性不高。研究表明，99.99％純鋁線中含有一些微量顆?？梢砸种其X的晶界擴(kuò)張，而99.999％純鋁線沒(méi)有這些微量顆粒，這會(huì)導(dǎo)致鋁的晶界在溫度循環(huán)過(guò)程中持續(xù)擴(kuò)張，如果晶界擴(kuò)張到接近于線徑的尺寸，會(huì)導(dǎo)致鋁線斷裂，所以這種99.999％的高純度鋁線不適宜用于高可靠性或者軍工級(jí)別的功率模塊生產(chǎn)[5]。

鋁線中一般會(huì)根據(jù)使用要求，摻雜一些微量金屬元素來(lái)改善鋁線的性能：硅、鎂（提高機(jī)械強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度），鉻、鎳（提高耐腐蝕性）。

鍵合點(diǎn)強(qiáng)度一般用拉力測(cè)試和推力測(cè)試來(lái)確定，該測(cè)試依靠推拉力測(cè)試機(jī)完成。功率模塊鋁線鍵合工藝中鍵合點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度控制標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1　鍵合點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度控制標(biāo)準(zhǔn)[3]

3.3點(diǎn)膠

點(diǎn)膠工藝主要實(shí)現(xiàn)底板與殼體之間的粘接，而且需保證底板與殼體之間的緊密連接，防止后續(xù)的灌膠工藝過(guò)程中漏膠。

密封膠采用RTV-1膠，該膠是一種單組份室溫硫化硅橡膠，由基礎(chǔ)聚合物（二甲基硅氧烷）、交聯(lián)劑、催化劑、填料及添加劑等配制而成[6]。該膠在常溫下接觸空氣中的濕氣后即可固化成彈性體，一般表干時(shí)間為3～4 h。該膠擁有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，其在苛刻工作環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的電氣絕緣性能、化學(xué)穩(wěn)定性、彈性、耐濕性、對(duì)基材的粘附性、低離子雜質(zhì)以及與加工工藝的兼容特性，對(duì)多種金屬和非金屬材料有良好的粘接性，為電子電器產(chǎn)品的長(zhǎng)期壽命提供了可靠的保障，能在-60～200℃溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用[6]。

3.4灌膠

灌膠主要為了提高模塊工作時(shí)的電氣絕緣性能，且保護(hù)元器件免于暴露于環(huán)境，避免受到灰塵、濕氣、機(jī)械沖擊等的危害。

灌膠采用一種1:1混合的雙組份硅凝膠，該硅凝膠混合后常溫下即可固化，實(shí)際生產(chǎn)中一般通過(guò)加熱來(lái)提高其固化速度。固化后的硅凝膠擁有介電性能好、導(dǎo)熱系數(shù)高、固化收縮率小等特點(diǎn)，有效降低模塊內(nèi)部的應(yīng)力[7]。

硅凝膠在操作過(guò)程中，所有的接觸表面必須是干凈的并且沒(méi)有會(huì)阻止硅凝膠固化的污染物，如含硫、胺的材料、有機(jī)金屬的化合物，特別是有機(jī)錫的化合物。雙組份硅凝膠中一種組份為交聯(lián)劑，另一組份包含鉑催化劑。兩組份混合后鉑催化劑會(huì)促使交聯(lián)劑產(chǎn)生凝膠化作用，因此操作過(guò)程中避免膠體與含有鉑的工具或者容器接觸，防止膠體提前固化[7]。

膠體混合完成后，需進(jìn)行真空除氣泡工藝，氣泡的存在會(huì)影響硅凝膠的性能。膠體混合完成后，固化反應(yīng)時(shí)間可以在廣泛的范圍內(nèi)調(diào)整，通過(guò)添加催化劑

或抑制劑來(lái)適應(yīng)特殊應(yīng)用的處理需求[7]。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文分別研究了功率模塊封裝工藝中回流焊接、鋁線鍵合、點(diǎn)膠、灌膠工藝的工藝機(jī)理、材料、工藝過(guò)程、質(zhì)量控制方法，通過(guò)這些技術(shù)的研究，對(duì)功率模塊的生產(chǎn)有較大的指導(dǎo)意義，可以提高生產(chǎn)良率和效率。

參考文獻(xiàn)：

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徐文輝（1976—），男，江西南昌人，學(xué)士，中級(jí)職稱，現(xiàn)研究方向?yàn)楣β拾雽?dǎo)體封裝開(kāi)發(fā)。

Packaging Process of SiC Hybrid Power Module

XU Wenhui, CHEN Yun, WANG Li
（Yangzhou Guoyang Electronics CO.,LTD., Yangzhou 225100, China）

Abstract：SiC materials as the third generation of semiconductor materials, which with high junction temperature and the critical breakdown voltage, high heat conductivity, etc, is advantageous to realize the miniaturization of power module, and improve the high temperature performance of the powermodule. Based on this, make SiC hybrid power module with autonomous SiC diode which replace Si diode in order to achieve independent controllability. Key packaging process of hybrid power module is introduced in this paper, whichmainly contains reflow soldering,Al wire bonding, adhesive dispense, sealant pouring.

Keywords：SiC; power module; reflow soldering; wire bonding; adhesive dispense; sealant pouring

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015-12-1

中圖分類號(hào)：TN305.94

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1681-1070（2016）03-0001-03