一種基于基板埋入技術(shù)的SiC 功率模塊封裝及可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導(dǎo)體（亦稱寬禁帶半導(dǎo)體）材料具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高以及抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其中SiC 功率器件及模塊已經(jīng)逐漸成為特高壓柔性電網(wǎng)、5G 移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施、高速軌道交通、新能源汽車、航空航天裝備、數(shù)據(jù)中心等“新基建”核心領(lǐng)域的“關(guān)鍵核芯”。我國“十四五”規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要明確指出：以SiC 為代表的寬禁帶半導(dǎo)體是事關(guān)國家安全和發(fā)展全局的基礎(chǔ)核心領(lǐng)域，是需要集中優(yōu)勢資源攻關(guān)的領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)。

傳統(tǒng)SiC 功率模塊封裝仍以鋁線鍵合互連為首選互連技術(shù)，然而鋁線鍵合的寄生電感大（大于10 nH），開關(guān)損耗高，熱失配引起的應(yīng)力失效率高，這些都極大地限制了SiC 功率器件的性能和可靠性。對(duì)于多芯片并聯(lián)的SiC 超級(jí)結(jié)器件來說，開發(fā)多層平面互連的高密度集成化封裝技術(shù)是提高其性能和可靠性的必然途徑。隨著高密度集成化封裝的發(fā)展，其電-熱-磁-應(yīng)力可靠性等技術(shù)難題也顯得愈發(fā)突出。為了保證功率器件的性能和可靠性，需要研究高密度集成封裝的多物理場耦合作用規(guī)律和優(yōu)化方法。

中科院微電子所侯峰澤副研究員和復(fù)旦大學(xué)樊嘉杰青年研究員提出了一種基于基板埋入技術(shù)的新型SiC 功率模塊封裝及可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法：采用新型光敏成型介質(zhì)（PID），通過光刻工藝制備SiC MOSFET 功率器件電極上的互連盲孔；基于板級(jí)物理氣相沉積（PLPVD）技術(shù)批量更改SiC MOSFET 等功率器件電極上的金屬；通過雙面再布線層（DSRDL）工藝替代功率器件的傳統(tǒng)鍵合技術(shù)。開發(fā)的新型有機(jī)基板埋入SiC MOSFET 半橋功率模塊樣品厚度薄，體積遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)TO-247 封裝（如圖1 所示）。

圖1 基于基板埋入技術(shù)的SiC 半橋模塊封裝與單芯片TO-247 封裝的開關(guān)特性對(duì)比分析

為驗(yàn)證基板埋入SiC 半橋模塊的性能，通過雙脈沖測試對(duì)比分析了基板埋入封裝和TO-247 封裝的開關(guān)性能。開發(fā)了兩個(gè)雙脈沖測試板，消除了測試板上互連線寄生電感的影響，通過校準(zhǔn)測試板上具有相同驅(qū)動(dòng)和功率回路的測試點(diǎn)來分析兩類封裝的開關(guān)特性。與TO-247 封裝相比，基板埋入SiC MOSFET 功率模塊的電壓過沖減小了50%，電壓變化速率增大了33.3%，電流變化速率增大了5%，開通損耗減小了10%，關(guān)斷損耗減小了36%[1]。

針對(duì)新型SiC 功率模塊封裝的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種基于蟻群優(yōu)化-反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ACO-BPNN）的優(yōu)化方法，并與響應(yīng)曲面法（RSM）進(jìn)行了對(duì)比，研究了芯片位置、再布線層（RDL）材料和RDL 厚度對(duì)基板埋入SiC MOSFET 功率模塊的散熱和熱循環(huán)可靠性的影響，結(jié)果如圖2 所示。采用RSM和ACO-BPNN 對(duì)其結(jié)溫和熱-機(jī)械應(yīng)力分布進(jìn)行優(yōu)化，研究結(jié)果表明結(jié)溫和熱-機(jī)械應(yīng)力分別可優(yōu)化約3%和11%。采用擬合數(shù)學(xué)模型方式的RSM 具有較快的優(yōu)化計(jì)算速度，但是優(yōu)化精度不夠；ACO-BPNN 需要通過有限元仿真得到模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行NN 訓(xùn)練，計(jì)算量較大，但它更適合于高密度集成化的復(fù)雜封裝的優(yōu)化[2-3]。（樊嘉杰，侯峰澤）

圖2 基于蟻群優(yōu)化-反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的基板埋入式SiC 功率模塊封裝可靠性優(yōu)化