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碳化硅半导体封装国产化加速 银烧结技术成为最大阻碍

2018-03-22 18:13      责任编辑:冯瀚东    来源:www.newsijie.com    点击:
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碳化硅半导体封装国产化加速 银烧结技术成为最大阻碍
 
        碳化硅芯片可在300℃以上稳定工作,预计模块结温将达到175-200℃。传统功率模块中,芯片通过软钎焊接到基板上,连接界面一般为两相或三相合金系统,在温度变化过程中,连接界面通过形成金属化合物层使芯片、软钎焊料合金及基板之间形成互联。
 
        目前电子封装中常用的软钎焊料为含铅钎料或无铅钎料,其熔点基本在300℃以下,采用软钎焊工艺的功率模块结温一般低于150℃,当应用于温度为175-200℃甚至200℃以上的情况时,其连接层性能会急剧退化,影响模块工作的可靠性。根据RoHS指令要求,由于铅具有毒性,会对环境和人体健康产生危害,已在电子产品中禁止使用含铅钎料。
 
        银烧结技术也被成为低温连接技术,是最为适合于宽禁半导体模块封装的界面连接技术之一,是碳化硅模块封装中的关键技术,也是目前应用最为广泛的技术。与传统连接方式相比,银烧结技术具有以下几方面的优势:烧结连接层成分为银,具有优异的导电和导热性能;由于银的熔点高达961℃,将不会产生熔点小于300℃的软钎焊连接层中出现的典型疲劳效应,具有极高的可靠性;所用烧结材料具有和传统软钎焊料相近的烧结温度;烧结料不含铅,属于环境友好型材料。
 
        根据新思界产业研究中心公布的《2018-2022年全球银烧结技术发展现状与投资机遇》报告显示,芯片与基板的耐高温、低成本连接技术和可靠性的问题是目前第三代半导体材料模块封装的关键技术。我国第三代半导体模块耐高温连接技术以高温无铅钎料封装连接为主,主要的钎料有锌基高温钎料、金基高温钎料、Bi-Ag基钎料和Sn-Sb基钎料。高温无铅钎料虽然制备工艺简单,适应性强,但连接温度高于使用温度,热稳定性差,同时高温钎料的工艺特性(润湿性)与力学性能(强度)、物理性能(导热性与导电性)、热稳定性难以兼顾。国内使用高温无铅钎料主要为SnAg(96.5:3.5)和SnAgCu(96.5:3:0.5),熔点为221℃和217℃。国内通过提高钎料本身的耐高温能力来提升钎焊接头的耐温能力,从而解决高温功率器件封装问题是困难的,目前国内开发的高温无铅钎料使用温度均不超过350℃,这与新一代功率芯片所能达到的工作温度500-1000℃相比差距较大。
 
        国外研究的第三代半导体连接技术有银低温烧结连接技术、固液互扩散连接(SLD)和瞬时液相烧结连接(TLPS),其中银烧结技术是目前国外第三代半导体封装技术中发展最为成熟、应用最为广泛的技术,美国、日本等碳化硅模块生产企业均采用此技术。与高温无铅钎料相比,银烧结技术烧结连接层成分为银,具有优异的导电和导热性能,由于银的熔点高达961℃,将不会产生熔点小于300℃的软钎焊连层中出现的典型疲劳效应,具有极高的可靠性,且其烧结温度和传统软钎焊料温度相当。
 
        相比焊接模块,银烧结技术对模组结构、使用寿命、散热产生了重要影响,采用银烧结技术可使模块使用寿命提高5-10倍,烧结层厚度较焊接层厚度薄60-70%,热传导率提升3倍,国外厂商把银烧结技术作为第三代半导体封装的核心技术,银烧结技术成为芯片与基板之间连接的不二选择,同时在此基础上开发出双面银烧结技术,将银带烧结在芯片正面代替了铝线,或取消底板将基板直接烧结在散热器上,大大简化了模块封装的结构。
 
        新思界产业研究员认为,国外银烧结技术已经由微米银烧结进入纳米银烧结阶段,纳米银烧结与微米银烧结技术相比连接温度和辅助压力均有明显下降,极大扩大了工艺的使用范围。在银烧结技术中,为了防止氧化和提高氧化层的可靠性,需要在基板裸铜表面先镀镍再镀金或镀银,同时烧结温度控制和压力控制也是影响模组质量的关键因素。银烧结技术在国外发展遇到的主要问题是:银烧结技术所用的银浆成本远高于焊膏,银浆成本随着银颗粒尺寸的减小而增加,同时基板铜层的贵金属镀层也增加了成本;银烧结技术需要一定的辅助压力,高辅助压力易造成芯片的损伤;银烧结预热、烧结整个过程长达60分钟以上,生产效率较低;银烧结技术得到的连接层,其内部空洞一般在微米或者亚微米级别,目前尚无有效的检测方法。
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