碳化硅（SiC)芯片封裝工藝中有哪些“難念的經(jīng)”
發(fā)布時(shí)間：2022-07-26
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封裝，Package。
是把集成電路裝配為最終產(chǎn)品的過(guò)程。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是把集成電路裸片（Die）放在一塊起到承載作用的基板上，把管腳引出來(lái)，然后固定包裝成為一個(gè)整體。 作為動(dòng)詞，“封裝”強調的是安放、固定、密封、引線(xiàn)的過(guò)程和動(dòng)作；
作為名詞，“封裝”強調其保護芯片、增強電熱性能、方便整機裝配的重要作用，關(guān)注封裝的形式、類(lèi)別，關(guān)注基底、外殼、引線(xiàn)的材料。 從“封裝”一詞的釋義中也就看出來(lái)，半導體封裝是一門(mén)多學(xué)科交叉結合的工作。功率芯片封裝
首先你要搞懂芯片，這個(gè)就難退一眾微電子學(xué)的畢業(yè)生了。然后你還要掌握熱學(xué)、機械、電學(xué)、力學(xué)、材料等多個(gè)學(xué)科的知識！這其中，拿材料舉例，封裝材料中又涉及互連材料、襯底材料、熱界面材料、灌封材料等細分產(chǎn)品的知識，不可謂不難！ 而碳化硅封裝，又在此基礎上，困難更甚。主要是因為目前我們傳統的功率器件封裝技術(shù)都是為 Si 基功率器件設計的，將其用于寬禁帶半導體功率器件時(shí)，會(huì )在使用頻率、散熱、可靠性等方面帶來(lái)新的挑戰，封裝技術(shù)正成為寬禁帶功率器件的技術(shù)瓶頸。 展開(kāi)講困難之前，我們先認識下兩種封裝形式
1將晶圓封裝成器件
器件的封裝是把襯底、氧化物、金屬裝在塑料當中，這樣可以保護芯片、增強電熱性能；同時(shí)，使用金屬，將源極、漏極、柵極都引出，方便宏觀(guān)的接線(xiàn)，方便之后在電路中的使用。
那按照安裝在PCB板上的方式來(lái)劃分，器件封裝主要有兩大類(lèi)：插入式和表面貼裝式。
插入式封裝形式展示
表面貼裝式封裝形式展示
舉個(gè)例子，泰科天潤已量產(chǎn)TO-220F封裝形式，具體型號包括：
■ 650V 2/3/4/5/6/8/10/20A;
■ 1200V 2//5/10/15A等。
TO-220封裝是一種常規直插式的封裝形式，區別是TO-220F是全塑封裝，在上散熱器時(shí)不用加絕緣墊；TO-220AC的金屬片與引腳是相連的，如裝散熱器的話(huà)要加絕緣墊。
02將多種器件進(jìn)一步做成模組（系統)
常見(jiàn)的有三大類(lèi)：
COB封裝（Chip On Board，板上芯片封裝）是將多種芯片直接裝在基板上，從而成為一個(gè)完整的系統；
SIP封裝（System In a Package，系統級封裝），也叫做SOP封裝（System On a Package），是對多種芯片進(jìn)行并排或疊加后統一封裝，從而成為一個(gè)完整的系統；
SOC封裝（System On a Chip，系統級芯片）是將多種功能都集成都一塊芯片上，芯片本身就是一個(gè)完整的系統。在芯片制程中就系統化，這樣封裝的就是一個(gè)芯片，而不需要大的基板。
SiC功率模塊封裝技術(shù)的新挑戰
01引線(xiàn)鍵合和復雜的內部互聯(lián)結構帶來(lái)的問(wèn)題
引線(xiàn)鍵合和復雜的內部互連結構帶來(lái)較大的寄生電容和寄生電感。SiC 功率芯片的開(kāi)關(guān)速度可以更快，因而電壓和電流隨時(shí)間的變化率（dv/dt 和di/dt）就更大，這會(huì )對驅動(dòng)電壓的波形帶來(lái)過(guò)沖和震蕩，會(huì )引起開(kāi)關(guān)損耗的增加，嚴重時(shí)甚至會(huì )引起功率器件的誤開(kāi)關(guān)，因此 SiC 功率器件對寄生電容和寄生電感更加敏感。
傳統Si基功率模塊封裝存在寄生參數過(guò)高，散熱效率差的問(wèn)題，這主要是由于傳統封裝采用了引線(xiàn)鍵合和單邊散熱技術(shù)，針對這兩大問(wèn)題，SiC 功率模塊封裝在結構上采用了無(wú)引線(xiàn)互連（wireless interconnection）和雙面散熱（double-side cooling）技術(shù)，同時(shí)選用了導熱系數更好的襯底材料，并嘗試在模塊結構中集成去耦電容、溫度/電流傳感器以及驅動(dòng)電路等，研發(fā)出了多種不同的模塊封裝技術(shù)。直接導線(xiàn)鍵合結構（DLB，Direct-LeadBonding） 直接導線(xiàn)鍵合結構如圖 1[3]所示，該結構更大的特點(diǎn)就是利用焊料，將銅導線(xiàn)與芯片表面直接連接在一起，相對引線(xiàn)鍵合技術(shù)，該技術(shù)使用的銅導線(xiàn)可有效降低寄生電感，同時(shí)由于銅導線(xiàn)與芯片表面互連面積大，還可以提高互連可靠性。三菱公司利用該結構開(kāi)發(fā)的 IGBT 模塊，相比引線(xiàn)鍵合模塊內部電感降低至 57%，內部引線(xiàn)電阻減小一半[4]。
SKiN 結構如圖 2[5]所示，該模塊結構也是一種無(wú)引線(xiàn)鍵合的結構，它采用了雙層柔軟的印刷線(xiàn)路板同時(shí)用于連接 MOSFET 和用作電流通路，賽米控（SEMIKRON）公司采用該種結構開(kāi)發(fā)的 1 200 V/ 400 A（8 個(gè) 50A SiC MOSFET 芯片并聯(lián)）半橋功率模塊的寄生電感小于 1.4 nH。
賽米控平面互連工藝如圖 3[6]所示，該結構在將功率芯片與覆銅陶瓷版連接后，在芯片的正面利用真空層壓工藝制備一層高可靠性的絕緣薄膜，然后在薄膜表面淀積一層 50～200 μm 厚的銅作為互連。與鋁線(xiàn)鍵合工藝相比，由于厚銅與襯底的接觸面積增大，該結構可以降低 20% 的熱阻以及 50% 的寄生電感，并且可以提高功率循環(huán)性能。
為進(jìn)一步降低寄生效應，使用多層襯底的 2.5D 和3D 模塊封裝結構被開(kāi)發(fā)出來(lái)用于功率芯片之間或者功率芯片與驅動(dòng)電路之間的互連。在 2.5D 結構中，不同的功率芯片被焊接在同一塊襯底上，而芯片間的互連通過(guò)增加的一層轉接板中的金屬連線(xiàn)實(shí)現，轉接板與功率芯片靠得很近，需要使用耐高溫的材料，低溫共燒陶瓷（LTCC）轉接板常被用于該結構，圖 4[7]為一種 2.5D 模塊封裝結構。
而在 3D 模塊封裝結構中，兩塊功率芯片或者功率芯片和驅動(dòng)電路通過(guò)金屬通孔或凸塊實(shí)現垂直互連，圖 5[8]是一種利用緊壓工藝（Press-Pack）實(shí)現的 3D 模塊封裝，這種緊壓工藝采用直接接觸的方式而不是引線(xiàn)鍵合或者焊接方式實(shí)現金屬和芯片間的互連，如圖 5 所示，該結構包含3 層導電導熱的平板，平板間放置功率芯片，平板的尺寸由互連的芯片尺寸以及芯片表面需要互連的版圖結構確定，整個(gè)結構的厚度一般小于 5 mm。圖示封裝結構有限元模擬的表面結果，其寄生電感僅 0.86 nH。
圖6[9]是另一種 3D 模塊封裝結構，該結構通過(guò)低溫共燒陶瓷工藝，實(shí)現了功率芯片和驅動(dòng)電路的垂直互連，該結構還可以方便地將被動(dòng)元件集成在低溫共燒陶瓷襯底上。
02功率器件散熱方面帶來(lái)的問(wèn)題
SiC 功率器件在散熱方面具有更高的要求。SiC 器件可以工作在更高的溫度下，在相同功率等級下，其功率模塊較 Si 功率模塊在體積上大幅降低，因此對散熱的要求就更高。如果工作時(shí)的溫度過(guò)高，不但會(huì )引起器件性能的下降，還會(huì )因為不同封裝材料的熱膨脹系數（CTE）失配以及界面處存在的熱應力帶來(lái)可靠性問(wèn)題。
傳統的硅基功率模塊工作溫度一般低于 175 ℃，而碳化硅功率模塊會(huì )工作在更高的溫度下和更大的電場(chǎng)下，因此對封裝材料在熱電可靠性方面提出了更高的要求。
鍵合引線(xiàn)材料
盡管無(wú)引線(xiàn)鍵合可以有效地降低功率模塊的寄生電感，但引線(xiàn)鍵合作為一種工藝成熟、低成本的互連技術(shù)仍廣泛應用于功率模塊封裝以及 TO 系列分立器件封裝中。
互聯(lián)材料一覽
近年來(lái)，隨著(zhù)功率器件封裝要求的提高，引線(xiàn)鍵合材料也得到了新的發(fā)展，如大功率器件上的鋁帶鍵合技術(shù)實(shí)現了對鋁線(xiàn)鍵合技術(shù)的替代。其實(shí)“絲”和“帶”是兩種常見(jiàn)并且有鮮明特點(diǎn)的鍵合材料，比較容易選擇，筆者認為鍵合帶具有更大的優(yōu)勢。
鍵合帶相比鍵合絲更具有更大的優(yōu)勢：
鍵合帶相比鍵合絲的不足：
橫向角度靈活性較差，只能直線(xiàn)分布；
受到芯片布局影響；
相對材料成本較高；
相對設備配件成本較高；
如果模塊走線(xiàn)基本都是簡(jiǎn)單的直線(xiàn)型；芯片的有效鍵合面積內有足夠區域可以綁定鍵合帶；單顆芯片使用鍵合鋁帶總的載流值大于所使用鍵合絲的更大根數的載流值，可以嘗試使用鋁帶。
銅材料由于其導電導熱性能均優(yōu)于鋁材料，且與硅材料的熱膨脹系數失配小于鋁與硅材料，因此銅替代鋁是封裝互連發(fā)展的趨勢，但是銅替代鋁又存在著(zhù)材料價(jià)格高，生產(chǎn)設備升級等成本因素，因此在現階段用于引線(xiàn)鍵合的鋁銅復合引線(xiàn)或鋁銅復合帶（Ribbon）材料得以發(fā)展，實(shí)現了封裝互連材料的一種過(guò)渡。 純銅鍵合材料可以說(shuō)是在鍵合絲和鍵合帶中的“戰斗雞”。 性能優(yōu)勢大家有目共睹，鍵合銅絲在DBC之間的互聯(lián)應用也非常多，例如英飛凌工業(yè)模塊已經(jīng)在IGBT模塊中有大量應用。
但是純銅鍵合絲在芯片上的互聯(lián)技術(shù)還是有挑戰，因為銅絲硬度較高，芯片表面大多為電鍍鋁、金和銀等材料強度不足以承受銅絲的超聲功率及壓力，所以想要實(shí)現銅絲在芯片表面直接互聯(lián)，芯片表面需要有一層足夠硬的金屬層。 如英飛凌的.XT技術(shù)，在芯片表面鍍銅，使芯片表面具有堅硬的表面。
芯片焊接材料
1、焊料在工藝過(guò)程中容易與銅互連材料形成金屬化合物，形成化合物脆性變大，容易發(fā)生斷裂等可靠性問(wèn)題；
2、錫/鉛基的軟焊料的熔點(diǎn)較低，限制了碳化硅功率器件的應用范圍；
3、焊料中含鉛，會(huì )造成環(huán)境的污染。
使用銀、銅等的微米納米金屬顆粒制備的焊膏取代錫/鉛基軟焊料，利用微米納米顆粒的尺寸效應，可以在較低的溫度下進(jìn)行燒結，燒結后成為熔點(diǎn)很高的金屬塊材，而且具備良好的導電導熱性能，可以較好地解決上述問(wèn)題。
SiC基片比硅基片更小更薄。將SiC基片與燒結銀（作為基片與框架的連接處）結合使用時(shí)，卻能擁有SiC基片的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括更高的開(kāi)關(guān)速度和更高的效率，從而帶來(lái)更高的熱密度，進(jìn)而得到更小的最終產(chǎn)品。 如果不考慮成本問(wèn)題，采用銀燒結是SIC模塊很好的解決方案，例如東芝本月初發(fā)布了用于碳化硅（SiC）功率模塊的封裝技術(shù)，宣城能夠使產(chǎn)品的可靠性提升一倍，同時(shí)減少 20% 的封裝尺寸的 iXPLV產(chǎn)品，就是采用了銀燒結的解決方案！ 除燒結銀外，銅焊膏因其與主要互連材料材質(zhì)相同，并且具有良好的熱、電性能，與銀焊膏相比，具有更低的價(jià)格和更好的抗電遷移性能，近年來(lái)也逐步成為研究熱點(diǎn)，尤其是采用納米銅顆粒作為介質(zhì)實(shí)現銅-銅直接互連，在電子封裝互連領(lǐng)域具備極大的潛力。 碳化硅在電力電子領(lǐng)域的應用前景一片光明，封裝這些“難念的經(jīng)”，終究都會(huì )被克服，產(chǎn)業(yè)繼續向前發(fā)展！
本文參考文獻：
淺談芯片堆疊技術(shù)在SiP中應用
5G+IoT帶動(dòng)SiP需求，終端應用紛紛追捧
https://news.hqew.com/info-352781
SiC功率器件的性能表征、封裝測試與系統集成 重慶大學(xué) 曾正
看完這篇，請不要再說(shuō)不懂MOSFET！
國產(chǎn)高可靠性碳化硅器件TO220F/TO220I封裝使得生產(chǎn)更便捷，電源更可靠
碳化硅功率模塊封裝技術(shù)進(jìn)展
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