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(jià)格昂貴，并且在熱和機(jī)械性能方面技術(shù)上難以實(shí)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(gè)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(shí)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(shí)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(gè)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(jì)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(shí)，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(dú)立的因素。這就是為什么尋找一個(gè)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(diǎn)（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(diǎn)的18%。這是與傳統(tǒng)焊點(diǎn)之間的一個(gè)巨大差異，焊接時(shí)芯片的最高溫度為焊料熔點(diǎn)的60％，導(dǎo)致上面所描述的失效現(xiàn)象。但是另一個(gè)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。