碳化硅功率模块焊接工艺研究进展
发布时间：2021-06-28 19:33
碳化硅（SiC）模块的封装技术是目前电力电子行业关注的热点,焊接材料和工艺是影响模块可靠性的关键环节。详细分析了当前国内外业界已使用或正在研究的焊接材料和工艺,包括应用于传统硅（Si）功率模块和SiC功率模块的常规无铅钎料、低温纳米银烧结、固液互扩散连接和纳米铜焊膏等。分析了各种工艺的焊接过程、焊层性能及存在的问题,明确了今后SiC功率模块高温封装焊接技术的发展方向,即低温纳米银烧结技术和固液互扩散技术将会是SiC功率模块焊接工艺的优选。
【文章来源】：微纳电子技术. 2020,57(02)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
SLID工艺形成Cu/Sn/Cu结构的示意图[2]
TLPS键合过程如图2[9]所示，高熔点金属和低熔点金属在加热后，低熔点金属先融化并扩散，与高熔点金属形成界面金属间化合物，实现等温键合，最终形成耐高温连接层。2017年，日本国家先进工业科学技术研究院F.Kato等人[17]采用CuSn TLPS法对SiC模块中的SiC MOSFET裸芯片进行了焊接研究，焊层在-40～250℃下进行1 000次热循环实验后，该3 mm×3 mm的SiC芯片抗剪切强度为40 MPa，说明采用CuSn TLPS方法处理的焊层具有较高的可靠性。焊接的SiC MOSFET尺寸为4.04 mm×6.44 mm，通过瞬态热分析法测试其热阻为0.13 K/W，与采用AuGe焊接的模块热阻相当（SiC模块采用AuGe共晶焊料焊接，热阻为0.12 K/W，熔点为356℃，回流温度为450℃[18-20]），说明该方法用于焊接高温SiC电源模块是可行的。
纳米银烧结技术由于纳米尺寸效应，纳米银材料熔点和烧结温度均低于微米银，连接温度可低至200℃，辅助压力可降到1～5 MPa，但连接层仍能保持较高的耐热温度和较好的导热导电能力。图3[6]为银烧结过程中的银及金属间化合物的熔化过程工艺示意图。2018年，C.A.Yang等人[22]分析了采用纳米银烧结的焊层粘结和高温老化后的组织和抗剪切强度，并对比了加In和不加In两种焊层。结果显示Ag/In焊层较Ag焊层孔隙率更低，焊层和基体之间的润湿性更好，该焊层抗剪切强度大于40 MPa。图4[22]为Ag和Ag/In两种焊层在300℃时抗剪切强度随时间的变化情况，其中在300℃下老化100 h后仍可以承受650℃的高温，且不会熔融，铜基体也未形成氧化铜层，说明焊层形成了完整的冶金密封，孔隙率低，无氧气扩散到焊层中，也说明Ag/In焊层具有应用于高功率、高温场合的潜力，为大功率模块芯片的焊接提供了一种可行性方案。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Cu、Sn预成型焊片的高温SiC芯片焊接材料研究[J]. 徐红艳,周润晖,宁圃奇,徐菊. 电工电能新技术. 2018(10)
[2]低温烧结纳米铜焊膏的制备及其连接性能分析[J]. 杨婉春,王帅,祝温泊,魏军,李明雨. 焊接学报. 2018(06)
[3]银烧结技术在功率模块封装中的应用[J]. 李聪成,滕鹤松,王玉林,徐文辉,牛利刚. 电子工艺技术. 2016(06)
本文编号：3254922
【文章来源】：微纳电子技术. 2020,57(02)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
SLID工艺形成Cu/Sn/Cu结构的示意图[2]
TLPS键合过程如图2[9]所示，高熔点金属和低熔点金属在加热后，低熔点金属先融化并扩散，与高熔点金属形成界面金属间化合物，实现等温键合，最终形成耐高温连接层。2017年，日本国家先进工业科学技术研究院F.Kato等人[17]采用CuSn TLPS法对SiC模块中的SiC MOSFET裸芯片进行了焊接研究，焊层在-40～250℃下进行1 000次热循环实验后，该3 mm×3 mm的SiC芯片抗剪切强度为40 MPa，说明采用CuSn TLPS方法处理的焊层具有较高的可靠性。焊接的SiC MOSFET尺寸为4.04 mm×6.44 mm，通过瞬态热分析法测试其热阻为0.13 K/W，与采用AuGe焊接的模块热阻相当（SiC模块采用AuGe共晶焊料焊接，热阻为0.12 K/W，熔点为356℃，回流温度为450℃[18-20]），说明该方法用于焊接高温SiC电源模块是可行的。
纳米银烧结技术由于纳米尺寸效应，纳米银材料熔点和烧结温度均低于微米银，连接温度可低至200℃，辅助压力可降到1～5 MPa，但连接层仍能保持较高的耐热温度和较好的导热导电能力。图3[6]为银烧结过程中的银及金属间化合物的熔化过程工艺示意图。2018年，C.A.Yang等人[22]分析了采用纳米银烧结的焊层粘结和高温老化后的组织和抗剪切强度，并对比了加In和不加In两种焊层。结果显示Ag/In焊层较Ag焊层孔隙率更低，焊层和基体之间的润湿性更好，该焊层抗剪切强度大于40 MPa。图4[22]为Ag和Ag/In两种焊层在300℃时抗剪切强度随时间的变化情况，其中在300℃下老化100 h后仍可以承受650℃的高温，且不会熔融，铜基体也未形成氧化铜层，说明焊层形成了完整的冶金密封，孔隙率低，无氧气扩散到焊层中，也说明Ag/In焊层具有应用于高功率、高温场合的潜力，为大功率模块芯片的焊接提供了一种可行性方案。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Cu、Sn预成型焊片的高温SiC芯片焊接材料研究[J]. 徐红艳,周润晖,宁圃奇,徐菊. 电工电能新技术. 2018(10)
[2]低温烧结纳米铜焊膏的制备及其连接性能分析[J]. 杨婉春,王帅,祝温泊,魏军,李明雨. 焊接学报. 2018(06)
[3]银烧结技术在功率模块封装中的应用[J]. 李聪成,滕鹤松,王玉林,徐文辉,牛利刚. 电子工艺技术. 2016(06)
本文编号：3254922
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3254922.html
