近年來，以使用SiC、GaN為主的第三代寬禁帶半導體材料的功率模塊越來越受到廣泛關注；其具有高擊穿電場、高熱導率、高電子密度、可承受大功率等特點，非常適合于高頻、高壓、高溫等應用場合，但正因其特性，對封裝工藝提出了更高的要求，中恒微在這些新型功率模塊上研究采用了新型互聯(lián)方案以應對模塊的各種嚴苛的應用場景。

在傳統(tǒng)功率模塊中，芯片通過軟釬焊接到基板上，而傳統(tǒng)的軟釬焊料熔點普遍低于300℃，當模塊工作結溫高于焊料熔點的60%時，焊接層的退化會加劇，超過熔點的80%時，會出現(xiàn)嚴重的熱疲勞損傷，從而影響功率模塊的電熱傳輸性能，加劇了模塊失效。然而，以SiC為代表的第三代半導體器件，可在250℃以上持續(xù)工作，傳統(tǒng)的軟釬焊料性能已經無法匹配。

銀的熔點高達961℃，理論上能適配384.4℃以下的芯片結溫應用環(huán)境（模塊結溫在低于40%的焊料熔點時，焊料層性質保持非常穩(wěn)定）加上其高機械性能（>30MPa），高導熱率（~240W/m·K）等特性，使得納米銀特別適合可靠性要求更高的功率模塊的封裝材料。

圖示1：軟釬焊與納米銀燒結過程對比示意圖

為應對第三代半導體器件高功率密度及高服役溫度的情況，經過長期研發(fā)，中恒微成功研發(fā)應用低溫納米銀燒結工藝技術，具有良好的實際表現(xiàn)。燒結溫度低至250℃，理論穩(wěn)定服役溫度達到384.4℃，無需壓力輔助燒結，連接強度高，可替代傳統(tǒng)的軟釬焊料，且導電導熱性能突出，大幅提高器件壽命，完美契合第三代半導體封裝應用。

納米銀燒結的基本原理

納米銀燒結技術是一種利用納米銀膏在較低的溫度下，加壓或不加壓實現(xiàn)的耐高溫封裝連接技術。常規(guī)銀的熔點是961℃，當銀粉末顆粒到納米級別，熔點會顯著降低，納米銀膏中有機成分在燒結過程中分解揮發(fā)，最終形成銀連接層，燒結后的燒結層熔點又恢復到銀的常規(guī)熔點，可滿足模塊產品在高溫下正常使用。

圖示2：納米銀燒結原理示意圖

“低溫燒結、高溫服役、高熱導率、高連接強度”是納米銀燒結的主要優(yōu)勢。相較于傳統(tǒng)的軟釬焊料，納米銀可更有效地提高功率模塊的工作溫度及使用壽命。采用銀燒結技術可使模塊使用壽命提高5-10倍，燒結層厚度較焊接層厚度薄60%-70%，熱傳導率提升3倍。

圖示3：中恒微無壓納米銀燒結Z62模塊貼裝及X-RAY示意圖

圖示4：中恒微銀燒結熱阻測試，RTH=0.06 K/W

圖示5：實驗條件：-40℃/15min~125℃/15min轉換時間＜30s

圖示6：Tj max：130℃，起始溫度：30℃，ΔTj=100℃，ton=2s，toff=4s，500000cycles

結論：PC 50W次后聲掃確認芯片燒結空洞基本沒有增加。

芯片銅線鍵合技術

在功率器件開發(fā)技術中，功率模塊正朝著小型化和高功率密度方向發(fā)展，互連技術是功率模塊優(yōu)異性能的關鍵因素。針對SiC功率器件封裝的高性能和高可靠性要求，另一個重要的高可靠性先進互連工藝就是銅線鍵合技術。

傳統(tǒng)的Si基半導體芯片正面電極與外部互連采用的是鋁線鍵合技術，由于鋁線的再結晶溫度低、電阻率高、屈服強度低等材料本身的局限性，這種連接方式并不能完全發(fā)揮SiC芯片的優(yōu)勢。相對于鋁線而言，銅線比鋁線的電阻率低，直徑400um的銅線可以承受直流約32.5A的電流，比鋁線的載流能力提高了71%。而且銅線熱導率比鋁線高，散熱性能更好。銅線鍵合能夠增強鍵合工藝的可靠性，特別是對高功率密度、高效散熱的SiC功率模塊，銅線鍵合能夠有效提升其功率循環(huán)能力和可靠性壽命。

圖示7：鋁、銅材料特性對比示意圖

基于銅線的優(yōu)良特性，以及銅線本身存在的硬度問題，中恒微通過不斷研發(fā)，開發(fā)出兩款適用于芯片表面銅線鍵合的互聯(lián)技術。

采用銀燒結技術輔助，將固定尺寸的銅片燒結至芯片表面，以滿足銅線鍵合技術（12mil-20mil）

圖示8：芯片表面燒結及銅線鍵合技術示意圖

采用芯片表面銅化技術，在芯片表面電鍍一定厚度的銅箔，以滿足銅線鍵合技術(12mil-15mil)

圖示9：芯片鍍銅及銅線鍵合技術示意圖

針對市場上對于高可靠性連接技術的需求，中恒微將逐步推出采用無壓納米銀燒結和銅線鍵合技術的SiC系列功率模塊，電壓等級為1200V，導通電阻覆蓋2mΩ-22mΩ，可應用于電動汽車、智能電網、軌道交通等領域。