基于全铜工艺的750A/6500V高性能IGBT模块

发布时间：2024-09-17 14:45

　　 高压大容量IGBT模块内部异质材料热膨胀系数失配是模块疲劳老化失效的主要机理。为了降低模块异质材料间热膨胀系数的差异,提高其功率循环能力与长期运行可靠性,该文提出功率模块采用全铜材料实线电学互连的思路,系统地研究了IGBT芯片铜金属化、铜引线键合与铜母线端子超声焊接等新技术,实现了IGBT功率模块全铜化封装的成套工艺,研发了基于全铜工艺的大容量高性能750A/6500V IGBT模块,首次实现了全铜工艺的高压模块。与传统铝工艺相比,全铜工艺模块不仅使导通损耗降低了10%、浪涌电流能力提升了20%,而且功率循环能力提高了16倍,提升了功率模块的运行韧性与应用可靠性。

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【部分图文】：

图1铜金属化750A/6500VIGBT芯片截面

难熔金属及其氮化物如W、Ti/TiN、Ta/TaN等，由于其良好的导电性、热稳定性等优点被视为理想的阻挡层材料[13]。金属及其氮化物的复合结构，如Ti/TiN、Ta/TaN等结构更为致密，对铜离子的阻挡效果更好，在阻挡层上通过PVD沉积一层薄Cu作为电镀的籽晶层，然后再进行厚铜....

图2可靠性试验后IGBT芯片剖面分析

为验证阻挡层对铜离子的阻挡效果，在铜工艺模块经过125°C高温、1000hHTRB（高温反偏）和HTGB（高温栅偏）可靠性试验后进行解剖分析，如图2所示。通过如图2a所示的扫描电镜（SEM）切片观察，IGBT芯片元胞的横截面可以看到完整的阻挡层及其清晰的界面；图2b对芯片金属....

图3IGBT芯片铜金属化工艺流程

芯片铜金属化基于传统铝工艺流程，但比铝金属化工艺要复杂很多，不仅需要改变表面金属材料与结构[14]，而且流程更长，其工艺流程如图3所示。由于多层金属结构材料之间热膨胀系数失配会产生应力差，从而增加晶圆翘曲度，降低晶圆加工过程中的良品率。因此，铜电镀及其后续退火工艺的过程控制对减小....

图4芯片金属化过程中的典型工艺失效模式

由于多层金属结构材料之间热膨胀系数失配会产生应力差，从而增加晶圆翘曲度，降低晶圆加工过程中的良品率。因此，铜电镀及其后续退火工艺的过程控制对减小晶圆内部应力不平衡而引起的晶圆翘曲度至关重要。图4显示了芯片金属化过程中典型的工艺失效现象。图4a显示了因层间应力不均导致晶圆翘曲（超过....

本文编号：4005605