１引言

功率模塊焊接和連接的最新技術(shù)水平是空白的使用一一半導(dǎo)體底面與頂層基材和鋁(A)粗線互連的無鉛焊接工藝。由于設(shè)計(jì)靈活性大、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的程序簡(jiǎn)單，鋁線綁定現(xiàn)在己成為頂層互連的首選。遺憾的是，由于眾所周知的生命周期局限的原因，鋁粗線焊接成了眾多設(shè)計(jì)的瓶頸。過去，利用燒結(jié)帶或編織帶提出了一些關(guān)于芯片頂層觸點(diǎn)的解決方案對(duì)于1C或存儲(chǔ)產(chǎn)品而言，作為粗金(Au)線的替代品，銅(Cu)線綁定具有較高的適配率。還強(qiáng)烈希望采用較大直徑的電線作為鋁線的替代品，并提出了此課題的有關(guān)事項(xiàng)PM。

銅線綁定保持了當(dāng)前鋁線綁定法的設(shè)計(jì)靈活性和工藝靈活性，但是粗銅線要求頂層金屬化整體更加牢固，以防止功率半導(dǎo)體在粘合焊盤的作用下出現(xiàn)芯片裂紋和結(jié)構(gòu)損壞。很多功率半導(dǎo)體制造廠正在著手解決這一問題。本文提出的連接方法的主要優(yōu)勢(shì)之一是這種方法可使用粗銅線綁定，無需改變半導(dǎo)體頂層金屬化。因此，半導(dǎo)體制造廠可依靠現(xiàn)有的工藝技術(shù)和既定的金屬化，在前端和后端/封裝材料之間留出分隔線。于是，高可靠性功率模塊完全有可能實(shí)現(xiàn)較快的上市時(shí)間。銀燒結(jié)是一種成熟的功率半導(dǎo)體焊接和連接技術(shù)，||J靠性很高，要求使用常見的金屬化表面。例如NiAu、Pd或Ag，這些表面都很常用，大多數(shù)制造廠有售。

２綁定和焊接技術(shù)

2.1低壓燒結(jié)。低壓燒結(jié)接受用于生產(chǎn)整流器功率模塊，采用這種技術(shù)，功率模塊質(zhì)量更好，熱工特性、機(jī)械特性和電氣特性優(yōu)良。燒結(jié)時(shí)需要在焊接件之間涂銀膏。燒結(jié)過程中，施加壓力產(chǎn)生一層密實(shí)的銀層，連接可靠。燒結(jié)過程中，當(dāng)銀膏中的銀顆粒和有機(jī)物促使擴(kuò)散力增加時(shí)，可減小施加的壓力。據(jù)報(bào)道，當(dāng)前的燒結(jié)工藝可在40MPa以下的壓力水平完成|6im。減小壓力可生產(chǎn)不同規(guī)格的模塊，從而增加設(shè)計(jì)靈活性，便于利用批量生產(chǎn)技術(shù)。

2.2粗銅線綁定。銅線綁定是電力電子產(chǎn)品總成的大電流互連最看好的技術(shù)之一。與鋁線綁定相比，銅線綁定布局靈活性高、質(zhì)量過程成熟，正因?yàn)檫@兩條原因，加快了銅線綁定的研發(fā)。與鋁材相比，電線粘合互連采用銅質(zhì)材料，有兩大好處：

(1)電流能力增加37%：

(2)銅的熱傳導(dǎo)率好(比鋁的熱傳導(dǎo)率高達(dá)80%)。

2.3丹佛斯粘合緩沖板技術(shù)(DBB)。丹佛斯粘合緩沖板技術(shù)(DBB)由燒結(jié)在金屬半導(dǎo)體頂層金屬化表面上的薄銅箔組成，如圖1所示。此外，替換半導(dǎo)體底面接口與DBC基體的凸點(diǎn)瓦連時(shí)，也可采用相同的燒結(jié)技術(shù)。圖1燒結(jié)DBB銀和銅線綁定熱堆棧的橫截面設(shè)計(jì)DBB吋，其尺寸要保證熱機(jī)械優(yōu)化，以減小由于CTE不匹配而引起的機(jī)械應(yīng)力。除了銅線綁定期間可吸收能量和保護(hù)晶片的特性外，DBB還具有很多熱特性和電氣特性優(yōu)勢(shì)。采用DBB后，半導(dǎo)體內(nèi)出現(xiàn)均勻的電流密度分配。由于豎向電流流動(dòng)得到改善，無需在半導(dǎo)體上采用針腳式粘合。此部分將進(jìn)一步介紹標(biāo)準(zhǔn)整流器模塊和第2部分所述方法制成的相同模塊之間的直接比較結(jié)果。

３結(jié)果

3.1熱模擬。為了證明新封裝技術(shù)的性能，我們使用熱模擬軟件FlowEFD，對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研宄。為了便于對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較，所有方案都采用相同的條件。圖2顯示的是FEM模擬的邊界條件。圖2第一糢擬部分和第二糢擬部分的邊界條件DBB的附加熱能力對(duì)Zth曲線有積極影響，W為它能儲(chǔ)存短熱能脈沖。圖3所示的是不同變型(VI?V5)不同時(shí)間(l〇ms、100ms、1000ms)的熱阻抗。在燒結(jié)的DBB變型(V5)中，10ms的Zth比標(biāo)準(zhǔn)焊機(jī)技術(shù)(VI)低大于22%。另外，DBB的熱能力對(duì)Rth沒有負(fù)面影響，因?yàn)樗丛跓嵩?晶片)和熱沉之間的傳熱路徑上。

3.2可靠性。從以前的標(biāo)準(zhǔn)焊接模塊、燒結(jié)模塊和編織帶模塊試驗(yàn)中得出比較數(shù)據(jù)W。功申循環(huán)結(jié)果如閣4所示。丹佛斯標(biāo)準(zhǔn)整流器模塊約有40000個(gè)循環(huán)，而采川鋁線的燒結(jié)模塊約有70000個(gè)循環(huán)。DBB模塊至少有600000個(gè)循環(huán)，比丹佛斯標(biāo)準(zhǔn)模塊好約15倍，比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)好約60倍mi。

４結(jié)論

引入丹佛斯焊接緩沖板(DBB)技術(shù)，可采用粗銅線綁定，完全與可靠性高的銀燒結(jié)工藝兼容。結(jié)果是功率模塊整體十分牢固，耐久性是同類標(biāo)準(zhǔn)模塊的至少15倍，是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的60倍。使用丹佛斯焊接緩沖板，半導(dǎo)體采用粗銅線綁定后，現(xiàn)在可制作出新一代功率模塊，其主要益處如下：

(1)芯片上可綁定粗銅線。

(2)增加Zth的附加熱能力，而不增加Rth。

(3)銅線采用特別的冷卻方式，生命周期更長或電流密度更大。

(4)硅片和DBC基體之間采用燒結(jié)技術(shù)，可延長使用壽命。

(5)適用于所有常見的芯片頂層金屬化。采用新技術(shù)，還可縮短上市時(shí)間，最大好處是對(duì)現(xiàn)有已成熟并值得信賴的制造方式的影響很小。

５前景展望

下一步研發(fā)工作是在相同的粘合緩沖板上，使用一個(gè)門區(qū)域(Gate　Pad　Area)和一個(gè)發(fā)射區(qū)域(如果是IGBT)，在晶體管布局上應(yīng)用DBB，還將增加H線粘合的有益特性。丨GBT和MOSFET己經(jīng)正在初步檢測(cè)中。由于每根銅線的橫截面增大至60〇nm，可達(dá)到極端載流能力。