封裝技術(shù)的發(fā)展

    2、基板

    大尺寸、大功率模塊用的基板價格昂貴，并且在熱和機(jī)械性能方面技術(shù)上難以實現(xiàn)。單面基板焊接帶來雙金屬效應(yīng)，導(dǎo)致非均質(zhì)扭力，這意味著到散熱器的熱連接效果不理想。在理想散熱器與半金屬接觸的地方，基板和散熱器之間的縫隙必須用熱性能較差的導(dǎo)熱硅脂填充。其結(jié)果是這里成為整個熱系統(tǒng)的壁壘。導(dǎo)熱硅脂的熱阻是銅的400倍，該涂層的熱阻占芯片和散熱器之間熱阻的60%。

    3、 模塊布局

    對于150A及以上的模塊，芯片必須與DBC并聯(lián)，以實現(xiàn)更高的額定電流。由于傳統(tǒng)帶基板模塊布局的機(jī)械限制，往往無法實現(xiàn)理想的對稱性。其結(jié)果是在開關(guān)行為中的非均勻性以及芯片位置上不同的電流。出于這個原因，數(shù)據(jù)表僅指定最弱的芯片。基于綁定線和連接器的內(nèi)部設(shè)計對模塊中的導(dǎo)電電阻有負(fù)面影響，并且導(dǎo)致更高的雜散電感。

    4、芯片溫度

    IGBT技術(shù)的進(jìn)步使得IGBT單元結(jié)構(gòu)更精細(xì)，從而芯片尺寸更小。這種發(fā)展也正由減少功率半導(dǎo)體成本的壓力所推動。更小的芯片尺寸伴隨著電流密度的增加，近年來芯片尺寸平均減小了35％。與此同時，最高結(jié)溫已上升至175°C。這意味著模塊可以更緊湊。然而，另一方面這也意味著IGBT和環(huán)境溫度之間的溫度梯度增大，造成對材料更大的應(yīng)力。溫度上升25K會降低5倍的可靠性。另外，諸如如SiC和GaN的新材料允許更高的溫度。

    5、 電流密度

    新的IGBT和MOSFET芯片技術(shù)比前幾代芯片具有更高的電流密度。由于頂面接觸面積小，傳統(tǒng)的鋁的粗綁定線限制了負(fù)載電流和可靠性的改善。進(jìn)一步優(yōu)化綁定線和使用新材料都是可行的，但這將意味著芯片制造更加復(fù)雜，因而半導(dǎo)體成本更高。

    上述封裝技術(shù)的限制都是獨立的因素。這就是為什么尋找一個完整的解決方案而非孤立解決這些問題是情理之中的事。

    如今，銀燒結(jié)工藝已被用于大規(guī)模的生產(chǎn)中，代替了芯片和DBC之間的焊接綁定線。由于銀具有比傳統(tǒng)焊錫高得多的熔點（962°C），燒結(jié)層的可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于焊層，使得電力電子器件可用在諸如車輛這樣高溫、苛刻的應(yīng)用中。175°C的最高結(jié)溫只相當(dāng)于燒結(jié)層熔點的18%。這是與傳統(tǒng)焊點之間的一個巨大差異，焊接時芯片的最高溫度為焊料熔點的60％，導(dǎo)致上面所描述的失效現(xiàn)象。但是另一個可靠性壁壘仍然存在 - 芯片頂部的綁定線。

    一種新的方法是在芯片的上側(cè)和與散熱器的熱連接中同樣使用銀燒結(jié)技術(shù)。這里，芯片上表面采用燒結(jié)工藝與一塊柔性且結(jié)構(gòu)化的板相連接。線路結(jié)構(gòu)如此厚以致于它們都能夠承載負(fù)載電流。DBC的底面直接燒結(jié)到散熱器上（見圖3）。主要的電氣端子也可被燒結(jié)到DBC上，取代現(xiàn)有的焊接或綁定線連接。銀燒結(jié)層來取代導(dǎo)熱硅脂，由此產(chǎn)生的低熱阻意味著功率密度可增大30%。帶有均勻芯片接觸的柔性板替代綁定線提高了可靠性。芯片接觸區(qū)與柔性板之間熱膨脹系數(shù)兼容性的改善是負(fù)載循環(huán)能力增強(qiáng)的原因。這使得開發(fā)不使用綁定線、焊接和導(dǎo)熱硅脂的封裝技術(shù)成為可能。