金银键合在功率芯片三维堆叠工艺中的研究

发布时间：2020-02-13 17:50

【摘要】：随着电力电子的发展,功率器件也逐步向着小型化、微型化方向加速进展。在某些具体领域中,功率器件或者说功率芯片(模块)短小轻薄、高性能的要求极为迫切。当前功率器件广泛应用在电力电子系统中,已经成为大型功率设备的主要组件(例如:雷达、电子仪器、自动控制等设备)。碳化硅(Si C)基功率器件具有击穿电压高,开关速度快,导通电阻低,抗辐射和耐高温等特性,在功率器件领域中有巨大的发展前景,然而在器件制造中存在着一系列困难。利用IPM(智能功率模块,Intelligent Power Modul)封装技术,将有望制造出大功率器件。因此利用三维堆叠技术获得高性能功率器件的研究具有非常重要的实用价值。本文通过探索堆叠工艺,实现了多个低电压芯片的三维堆叠,最终获得高电压器件(IPM模块)。本文主要目标是利用封装的方法通过堆叠设计一款高压功率器件来提高功率器件的高压性能。实验以一款国产SiC功率芯片(SiC-SBD)为堆叠对象,针对性地对此款双极型SiC功率芯片进行三维堆叠设计。利用已有的知识和工艺能力,提出了几种不同的三维堆叠方案。通过解剖硅堆和分析,从不同角度对芯片三维堆叠设计方案进行修正,最终选择用Au凸点作焊接电极的方案完成芯片堆叠。实验内容是使用与SiC-SBD相同结构的硅基假芯片来实现功率芯片的三维堆叠,并对Au-Ag键合机理展开讨论。芯片电极的阳极金属材料为Ti/Al,表面材料为Al,总厚度4μm;阴极金属材料为Ti/Ni/Ag,表面材料为Ag,总厚度1.6μm。用引线键合工艺在阳极表面制作Au凸点,并通过热压键合完成多个芯片堆叠。这种Au凸点堆叠方案减小了芯片互连距离和其他寄生效应,可以获得性能优异的高压器件。实验优化引线键合和热压键合参数,获得了可靠的堆叠工艺参数。此外,通过剪切力实验对键合的可靠性加以验证,最后利用FEI QUANTA FEG 450分析键合界面,并提出键合机理。
【图文】：

同时也开启了电力电子学发展，此后人们便开始更好地利用电能。1958年美国通用公司使晶闸管（被称为可控硅整流器）商业化；1960 年由普通晶闸管研制出快速晶闸管和双向晶闸管；1970 年研制出可关断晶闸管(GTO)；如图 1-1 功率半导体器件发展进程，可以看出功率器件借助于双极型半导体器件促进了二十世纪六七十年代电力输运方面大发展，主要器件为 GTO(可关断晶闸管)和 SBD(肖特基二极管)。1980 年 VDMOS（垂直双扩散金属-氧化物场效应管）的发明，，一方面让集成电路进入快速发展通道，另一方面，电力电子技术迈入高压高频的智能设备领域。1990 年以后，随着汽车、电子产品、电脑、手机等消费电子市场的发展，MOS-FET 功率芯片快速崛起。从发展工程中看到，功率器?

图 1-2 功率器件性能[5]电子器件分类器件按照其主要特征可大体分为四大类：控制类型可分为：a、可控型；b、不可控型；载流子类型可分为：a、复合型；b、双极型；c、单
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN405

【参考文献】

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本文编号：2579210