哈爾濱理工大學蔡蔚教授團隊研究成果:SiC 功率模塊封裝技術(shù)及展望
然而,現(xiàn)有的封裝技術(shù)大多都是沿用Si基器件的類似封裝,要充分發(fā)揮碳化硅的以上性能還有諸多關(guān)鍵問題亟待解決。
由于SiC器件的高頻特性,結(jié)電容小,柵極電荷低,開關(guān)速度快,開關(guān)過程中的電壓和電流的變化率極大,寄生電感在極大的di/dt下,極易產(chǎn)生電壓過沖和振蕩現(xiàn)象,造成器件電壓應(yīng)力、損耗的增加和電磁干擾問題。
關(guān)于在高溫、嚴寒等極端條件下可靠性急劇下降等問題,急需尋求適應(yīng)不同工況的連接材料和封裝工藝,滿足不同封裝形式的熱特性要求。
針對模塊內(nèi)部互擾、多面散熱、大容量串并聯(lián)、制造成本和難度等問題,適當減少熱界面層數(shù),縮減模塊體積,提升功率密度和多功能集成是未來的趨勢。采用先進散熱技術(shù)、加壓燒結(jié)工藝,設(shè)計功率半導體芯片一體化,優(yōu)化多芯片布局等方式,起著一定的關(guān)鍵作用。
國際上的主要解決方案針對上述問題,國內(nèi)外專家及其團隊研發(fā)不同封裝技術(shù),用于提升模塊性能,降低雜散參數(shù),增強高溫可靠性。
美國Wolfspeed公司研發(fā)出結(jié)溫超過225 ℃的高溫SiC功率模塊,并將功率模塊的寄生電感降低到5 nH。美國GE公司的全球研究中心設(shè)計了一種疊層母線結(jié)構(gòu),構(gòu)造與模塊重疊并聯(lián)的傳導路徑,使回路電感降至4.5 nH。德國賽米控公司采用納米銀燒結(jié)和SKiN布線技術(shù),研發(fā)出SiC功率模塊的高溫、低感封裝方法。德國英飛凌公司采用壓接連接技術(shù),研制出高壓SiC功率模塊。德國Fraunholfer研究所采用3D集成技術(shù)研制出高溫(200 ℃)、低感(≤1 nH) SiC功率模塊。瑞士ABB公司采用3D封裝布局,研制出大功率低感SiC功率模塊。瑞士ETH采用緊湊化設(shè)計,優(yōu)化功率回路,研制出寄生電感≤1 nH的低電感SiC功率模塊[14]。日本尼桑公司基于雙層直接敷銅板(direct bonded copper, DBC)封裝,研制出低感SiC功率模塊,應(yīng)用于車用電機控制器。
上述碳化硅的優(yōu)良特性,只有通過模塊封裝布局的可靠性設(shè)計、封裝材料的選型、參數(shù)的優(yōu)化、信號的高效和封裝工藝的改善,才能得以充分發(fā)揮。
本文提出的解決方案討論本文中重點聚焦典型封裝結(jié)構(gòu)下,低雜散參數(shù)、雙面散熱模塊下緩沖層的影響和功率模塊失效機理等關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容的梳理總結(jié),最后展望了未來加壓燒結(jié)封裝技術(shù)和材料的發(fā)展。
1 模塊封裝形式
(1) 傳統(tǒng)封裝:Wolfspeed、Rohm和Semikron等制造商大多延用傳統(tǒng)Si基封裝方式,功率等級較低,含有金屬鍵合線,雜散電感較大。
(2) DBC+PCB混合封裝:Cha等和Seal等把DBC和PCB板進行整合,通過鍵合線連接芯片和PCB板,研創(chuàng)出DBC+PCB混合封裝。實現(xiàn)了直接在PCB層間控制換流回路,縮減換流路徑來減小寄生電感。
(3) SKiN封裝:德國Semikron公司采用納米銀燒結(jié)和SKiN布線技術(shù),采用柔性 PCB板取代鍵合線實現(xiàn)芯片的上下表面電氣連接,模塊內(nèi)部回路寄生電感僅為1.5 nH。
(4) 平面互連封裝:通過消除金屬鍵合線,將電流回路從DBC板平面布局拓展到芯片上下平面的層間布局,顯著減小了回路面積,降低了雜散電感參數(shù),如Silicon Power公司采用端子直連(DLB)、IR的Cu-Clip IGBT和Siemens的SiPLIT技術(shù)等。
(5) 雙面焊接(燒結(jié))封裝:在功率芯片兩側(cè)焊接DBC散熱基板,為芯片上下表面提供散熱通道;或者使用銀燒結(jié)技術(shù)將芯片一面焊接DBC,另一面連接鋁片。雙面散熱既能優(yōu)化基板邊緣場強,還能夠降低電磁干擾(EMI),減小橋臂中點的對地寄生電容,使其具有損耗低、熱性能好、制造成本低等優(yōu)點。
橡樹嶺實驗室、中車時代電氣、天津大學和CPES等可以將寄生電感降低至5 nH。同時,銅燒結(jié)作為一種更低成本的芯片連接方案更被視為是未來幾年的研究熱點。目前雙面散熱技術(shù)主要應(yīng)用在新能源電動車內(nèi)部模塊。
(6) 壓接封裝:壓接型器件各層組件界面間依靠壓力接觸實現(xiàn)電熱傳導,分為凸臺式和彈簧式兩類。與焊接型器件相比,壓接封裝結(jié)構(gòu)模塊具有高功率密度、雙面散熱、低通態(tài)損耗、抗沖擊能力強、耐失效短路和易于串聯(lián)等優(yōu)點,而且采用數(shù)量較少的壓接型模塊便可滿足換流時電壓等級和容量需求,但由于密封等要求多采用LTCC陶瓷設(shè)計,成本較高,且壓接封裝結(jié)構(gòu)復雜,目前只用于高壓模塊的制造,具有一定的應(yīng)用市場。但離汽車領(lǐng)域的實際應(yīng)用尚有一定的差距。
(7) 三維(3D)封裝:Tokuyama等和Herbsommer等將SiC模塊的上橋臂直接疊加在下橋臂上,由于SiC模塊的結(jié)構(gòu)是垂直型的,可以大幅縮短換流回路的物理長度,以進一步減少與di/dt相關(guān)的問題。目前該封裝技術(shù)最大的優(yōu)勢是可以將模塊寄生電感降至1 nH以下。還有將電壓波動最大的端子放置在三維夾心結(jié)構(gòu)的中間,使端子與散熱器之間的寄生電容急劇降低,進而抑制了電磁干擾噪聲。
圖1 典型封裝結(jié)構(gòu)剖面圖
2 低雜散電感封裝技術(shù)
對于金屬引線鍵合式模塊的3維封裝結(jié)構(gòu),通過降維處理,可以極大簡化功率模塊結(jié)構(gòu)的仿真時間,將三維立體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為2D平面結(jié)構(gòu)的研究為整體功率模塊的研究應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),如圖2所示。
圖2 單面鍵合式結(jié)構(gòu)
本文中采用ANSYSQ3D仿真軟件進行模型寄生參數(shù)提取,以單條金屬鍵合線的長度l和直徑d作為待優(yōu)化參數(shù),仿真分析l和d對寄生電感的影響特性,如圖3所示。
圖3 典型2維封裝結(jié)構(gòu)
各層的厚度h1-h7和邊距a1-a3為優(yōu)化參數(shù),其中,a3是DBC結(jié)構(gòu)上層銅距離陶瓷層邊沿的距離,因為絕緣性能、DBC小坑和阻焊等工藝的需求,a3普遍等于1 mm。傳統(tǒng)典型2維封裝結(jié)構(gòu)模塊各層寬度w和厚度h的具體尺寸如表1所示。
表1 功率模塊典型尺寸
曾正等的研究表明,芯片功率回路的寄生電容主要由DBC陶瓷層的寄生電容決定,可表示為Cσ=ε0εr(w1+2a1)2h3(2)
式中:ε0=8.85×10?12 F/m,表示真空介電常數(shù);εr=9,表示Al2O3陶瓷相對介電常數(shù),對于陶瓷AIN和陶瓷Si3N4,相對介電常數(shù)分別等于8.8和6.7。
寄生參數(shù)分布仿真結(jié)果如圖5所示,經(jīng)驗證與式(1)和式(2)的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果基本一致。圖5 寄生參數(shù)分布
由圖4和圖5還可明顯看出各個關(guān)鍵變量對寄生參數(shù)的影響規(guī)律。鍵合線長度越短、直徑越大,寄生電感越小,其中鍵合線長度對寄生電感影響更顯著;陶瓷層越厚、面積越小,寄生電容越小,其中陶瓷層厚度對寄生電容影響更顯著。
降低開關(guān)器件換流回路中電流流通路徑所通過的面積,可以減小雜散電感,將上半橋SiC MOSFET的續(xù)流二極管和下半橋的SiC MOSFET進行位置互換,減小換流路徑的導通面積,可降低雜散電感,如圖6所示,其仿真結(jié)果如圖7所示。
圖6 傳統(tǒng)封裝與疊層封裝的換流路徑示意圖
圖7 疊層封裝不同換流回路雜散電感仿真結(jié)果
將功率模塊的封裝模型導入雜散參數(shù)提取軟件ANSYS.Q3D,依次采取網(wǎng)絡(luò)剖分、工況定義的步驟,設(shè)置激勵源(Source)和接地(Sink),并且分別把激勵源添加到功率模塊端子的表面,注意激勵源可以設(shè)置多個,但是接地只能一個,圖8是SiC模型的網(wǎng)格剖分圖。
圖 8 雜散電感提取模型與網(wǎng)格剖分
牛利剛等研究表明,利用ANSYS.Q3D提取半橋功率模塊的寄生電感為20.6 nH,實際檢測結(jié)果是21.23 nH,相差為0.63 nH,即相對誤差為3%,證明了疊層功率模塊雜散電感的仿真提取方法的準確性。
金屬鍵合線的寄生電感越小,寄生振蕩越輕微,開關(guān)關(guān)斷過程中的電壓沖擊越小,開關(guān)速率越高,開關(guān)損耗越?。慌c此同時,鍵合線的寄生電容也應(yīng)盡可能小,以抑制電磁干擾的影響。
Lσ和Cσ共同決定電磁干擾(EMI)噪聲的轉(zhuǎn)折頻率fr:fr=12πLσCσ√(3)3 雙面散熱技術(shù)
根據(jù)雙面散熱結(jié)構(gòu)緩沖層的數(shù)量,分為無緩沖層、單層緩沖層、雙緩沖層3種,如圖9所示,其中無緩沖層和雙層緩沖層均為對稱結(jié)構(gòu)。緩沖層可有不同形式,其中有的采用金屬墊塊。文獻中研究了芯片發(fā)熱狀態(tài)下3種模塊所受最高結(jié)溫和金屬墊塊結(jié)構(gòu)所承受的熱應(yīng)力分布情況。
圖9 不同緩沖層的結(jié)構(gòu)
楊寧等的研究發(fā)現(xiàn),不同金屬構(gòu)造的各部分熱應(yīng)力值如表2所示,而對應(yīng)的仿真云圖如圖10所示。其中單層金屬緩沖層因結(jié)構(gòu)的不對稱性,對其上下應(yīng)力層需要單獨分析。
圖10 不同緩沖層的熱應(yīng)力仿真云圖
從仿真云圖中不難看出:無金屬墊塊緩沖層的雙面散熱結(jié)構(gòu)的最大等效熱應(yīng)力為99 MPa;單層金屬墊塊緩沖層的雙面散熱結(jié)構(gòu)的上基板最大等效熱應(yīng)力是109 MPa,下基板最大等效熱應(yīng)力是70 MPa,上下基板的最大等效應(yīng)力結(jié)果相差較大,主要與芯片和金屬層的熱膨脹系數(shù)、溫度差異有關(guān);雙金屬層墊塊緩沖層的最大等效熱應(yīng)力為81 MPa。
陸國權(quán)等研究表明,隨著鉬塊厚度的增加,應(yīng)力緩沖效果明顯,應(yīng)變減小。雙面互連的SiC MOSFET芯片最大von Mises應(yīng)力和納米銀互連層的最大塑性應(yīng)變均減小。同時,在緩沖層和上基板間燒結(jié)銀互連層中增加1 mm銀墊片可進一步降低雙面互連結(jié)構(gòu)的芯片應(yīng)力和互連層應(yīng)變,提高雙面散熱SiC模塊的熱機械可靠性。
與方形緩沖層對比,圓柱形緩沖層可有效消除芯片和納米銀互連層應(yīng)力集中效應(yīng),大幅降低SiC芯片所承受的最大von Mises應(yīng)力和燒結(jié)銀互連層的最大塑性應(yīng)變。采用圓柱形緩沖層時,納米銀層塑性應(yīng)變比采用方形緩沖層時的納米銀層的塑性應(yīng)變值減少了47.5%。這主要是因為圓柱形緩沖層邊緣過渡圓潤,應(yīng)力分布更均勻,而方形緩沖層的邊緣或尖角易造成芯片和燒結(jié)銀互連層出現(xiàn)應(yīng)力集中,造成局部熱應(yīng)力劇增。
雙面散熱引線鍵合式功率模塊如圖11所示。Nakatsu等研究表明,雙面散熱功率模塊的熱阻值比引線鍵合功率模塊約小50%;另外,它還具有優(yōu)異的電學性能。
圖 11 雙面散熱引線鍵合式功率模塊
Liang等研究表明,雙面散熱功率模塊的開關(guān)損耗降低到商業(yè)功率模塊的10%,由于鍵合引線會使寄生參數(shù)數(shù)值較大,所以無鍵合線模塊,寄生參數(shù)數(shù)值大幅減小,SiC芯片的耐高溫、高頻特性優(yōu)勢得到極****揮。
模塊封裝中的材料都具有一定的臨界熱應(yīng)力點,超過這一數(shù)值,就會出現(xiàn)斷裂失效的危險。SiC 功率模塊的襯底尺寸主要取決于芯片的面積大小,絕緣襯底常規(guī)厚度在0.03 mm,翹曲率在3 mil/in,陶瓷材料用作絕緣襯底采用直接覆銅技術(shù)。金屬層邊緣采用臺階狀可有效減小應(yīng)力,臺階高度應(yīng)為銅層的一半。
基板主要趨勢是使用高性能材料,減少層數(shù)和界面的數(shù)量,同時保持電、熱和機械特性。絕緣金屬基板(IMS)和IMB基板僅用于中低功率模塊,如EV/HEV等。主流材料正逐漸從直接覆銅(DBC)轉(zhuǎn)向活性金屬釬焊(AMB),并采用高性能基材。雙面冷卻結(jié)構(gòu)將促進在模塊的頂部使用第2個陶瓷基板/引線框架。
直接冷卻的基板,如銷鰭基板,減少熱界面的數(shù)量,避免使用熱界面材料(TIM)?;搴屠鋮s系統(tǒng)的集成以及冷卻模塊設(shè)計的部署和減少熱接口數(shù)量將是一個強大的趨勢,為未來幾年提供新的解決方案。封裝技術(shù)還需要具備高溫可靠性的陶瓷基板和金屬底板等相應(yīng)套件。
目前能適應(yīng)碳化硅設(shè)備更高運行溫度的硅膠和環(huán)氧材料正在研發(fā)中。為了實現(xiàn)復雜和緊湊的模塊設(shè)計,在包括EV/HEV等許多應(yīng)用中,硅膠由于其低廉的價格,使用范圍更廣泛。環(huán)氧樹脂材料的應(yīng)用,仍受到高溫下可靠性的限制。
4 失效方式匯總
功率模塊常見的損壞有過流損壞、過熱損壞和過壓損壞等,過流損壞為流經(jīng)功率模塊的電流超過耐流值,過流沖擊導致芯片發(fā)熱嚴重,超過結(jié)溫耐溫值,從而損壞芯片。過壓損壞為加在SiC MOSFET的漏極(G)和源極(S)間電壓UGS大于耐壓值,使得器件極間擊穿損壞。
保障功率模塊的安全運行,不僅要考慮功率模塊電流電壓的可承受范圍,還須考慮驅(qū)動信號添加后,避免導通電路出現(xiàn)短路問題和上下橋臂直通等故障。因此,可以通過增加檢測保護電路和對控制程序進行優(yōu)化來保障功率模塊的安全運行。各種原因?qū)е碌墓β誓K的真實失效現(xiàn)象如圖13~圖19所示。其中功率模塊里的續(xù)流二極管發(fā)生短路和集電極-****極擊穿燒斷等是常見的失效現(xiàn)象。
圖13 不良焊接的表現(xiàn)
圖14 超聲引線鍵合的不同效果圖
圖15 瞬態(tài)過電流引起的器件失效現(xiàn)象
圖16 瞬態(tài)過電流導致的芯片燒毀現(xiàn)象
圖17 灌膠環(huán)節(jié)的不良現(xiàn)象
圖18 功率模塊過電壓擊穿現(xiàn)象
圖19 功率模塊柵極失效圖
對功率模塊通過均勻涂抹導熱硅脂作為熱界面材料(TIM)已經(jīng)不能滿足要求,采用金屬燒結(jié)等方法是下一步的研究方向,另外增加散熱器、風扇和溫度傳感器等可有效防止過熱問題。增加電流互感器檢測器件與RC緩沖電路和對程序驅(qū)動算法進行優(yōu)化等措施可有效解決過流問題。通過母線電壓采集,進行對比保護等可有效解決過壓問題。
5 先進技術(shù)展望
(1) 焊接通過引線連接芯片和PCB板,在多次功率循環(huán)后容易老化脫落,造成模塊失效。而且,焊接層空洞增加熱阻,降低可靠性。壓接借助壓力將芯片壓在基板上,電流從銅板直接流過,提高可靠性。
(2) 傳統(tǒng)焊接式多為單面散熱,而壓接式多為雙面散熱,可提升散熱性能,有利于器件性能的充分發(fā)揮。
(3) 鍵合線和焊接層引入雜散參數(shù),高頻特性下,電壓和電流易產(chǎn)生較大波動,影響芯片串聯(lián)特性。
考慮到納米銀焊膏具有高導電率、高導熱性和優(yōu)良的延展性,且熔點顯著高于傳統(tǒng)焊料,相關(guān)科研團隊利用納米銀焊膏將芯片和集電極鉬層燒結(jié)在一起,成功開發(fā)出銀燒結(jié)壓接封裝器件,顯示出其在壓接型功率模塊的封裝應(yīng)用中具有一定優(yōu)勢。
銀燒結(jié)封裝可以降低壓接型器件的導通電壓和通態(tài)損耗,減緩芯片與****極鉬層間的接觸磨損,提升器件使用壽命。
目前燒結(jié)封裝技術(shù)在發(fā)展中仍然存在著不能忽略的問題,同時也提出如下一些可行性方案。
(1) 由于銀和SiC芯片背面材料熱膨脹系數(shù)不同引起的問題,可通過添加金屬緩沖層來改善互連性能,但會增加功率模塊封裝工藝的復雜性和成本。采用滿足性能指標和可靠性的燒結(jié)層代替緩沖層,成為研發(fā)的可行性方案。
(2) 銀層的電遷移現(xiàn)象,不利于功率電子器件長期可靠應(yīng)用。銅燒結(jié)既能滿足減少電遷移現(xiàn)象,又能夠降低成本,使其成為高溫模具連接材料的一種很有前途的替代品。
(3) 優(yōu)化燒結(jié)工業(yè),創(chuàng)新燒結(jié)方案,縮減預熱、燒結(jié)時長,提升生產(chǎn)效率;流水線工作,提升可制造性和生產(chǎn)設(shè)計的靈活性。
(4) 與無壓燒結(jié)相比,低壓燒結(jié)可靠度和散熱性能較好。雖然部分廠商已解決壓力問題,但是燒結(jié)過程中的致密性、連接層的溫控和極限環(huán)境中性能退化問題還尚待解決。
上述問題的解決需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游的聯(lián)動協(xié)調(diào)攻關(guān),部分問題隨著技術(shù)進步將逐步得到解決。盡管當前模塊封裝幾乎全是以連線鍵合方式為主,預計未來3~5年銀燒結(jié)封裝技術(shù)會是功率模塊互連的主流技術(shù)。由于銀離子遷移對互聯(lián)結(jié)構(gòu)有負面影響,加之成本和熱應(yīng)力適配需求,與銀燒結(jié)技術(shù)類似的瞬時液相燒結(jié)(TLPS)、銀銅燒結(jié)、銅燒結(jié)技術(shù)和相應(yīng)的焊漿材料也在快速發(fā)展,部分技術(shù)瓶頸有望在近幾年突破。芯片貼裝、基板連接、模塊與散熱器的連接等都是燒結(jié)技術(shù)潛在的應(yīng)用范圍。
6 結(jié)論
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