燒結(jié)銅——更經(jīng)濟(jì)且同樣可靠的芯片粘結(jié)材料

作者：王康巖

(資料圖片僅供參考)

眾所周知，新能源汽車最棘手的問(wèn)題之一就是“續(xù)航焦慮”。 因此，具有更高能量轉(zhuǎn)換效率的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)受到了行業(yè)的高度重視。由于碳化硅（SiC）功率芯片具有較低的能量損耗和較高的功率密度，以SiC芯片為核心的新一代功率模塊隨之應(yīng)運(yùn)而生，它們使得新能源汽車能夠?qū)崿F(xiàn)更長(zhǎng)的純電續(xù)航里程以及更快的加速性能。

在新一代技術(shù)的可靠性工程中，熱管理是至關(guān)重要的問(wèn)題之一。盡管碳化硅芯片的開(kāi)關(guān)損耗相比傳統(tǒng)硅芯片有所降低，但更高的功率（I*V）也意味著SiC模塊在相同溫度條件下的散熱量也更大。因此，如何有效導(dǎo)出更多熱量并保持系統(tǒng)在較低溫度水平成為了SiC功率模塊的新挑戰(zhàn)。目前，業(yè)界普遍認(rèn)為傳統(tǒng)的無(wú)鉛合金錫膏已經(jīng)無(wú)法滿足SiC芯片的散熱需求。目前主流的替代方案是燒結(jié)銀材料，因?yàn)榻饘巽y本身具有高熔點(diǎn)和高導(dǎo)熱性，其熱導(dǎo)率可以達(dá)到200 W/mK以上，遠(yuǎn)超過(guò)錫膏中使用的任何合金。然而，燒結(jié)銀的價(jià)格昂貴，使得其應(yīng)用成本居高不下。為滿足客戶對(duì)更具性價(jià)比的燒結(jié)替代方案的需求，賀利氏推出了燒結(jié)銅材料。

圖表 1. 錫膏、燒結(jié)銀、燒結(jié)銅重要物理指標(biāo)橫向?qū)Ρ取?/p>

如圖1所示，燒結(jié)銅和燒結(jié)銀的物理性質(zhì)相當(dāng)接近。在保持200W/mK以上的熱導(dǎo)率的同時(shí)，金屬銅的熔點(diǎn)比銀還要高，假設(shè)工作溫度為150°C，燒結(jié)銅的同系溫度（絕對(duì)溫度體系下工作溫度與熔點(diǎn)溫度的比值，即（150+273）/（1083+273）=0.31）更低。從金屬學(xué)角度看，燒結(jié)銅的抗疲勞性能更佳。

然而，將燒結(jié)銅付諸實(shí)踐的挑戰(zhàn)比燒結(jié)銀要復(fù)雜得多。一方面，銅的燒結(jié)難度較大，通常需要使用納米級(jí)的銅粉才能獲取足夠的比表面積以促進(jìn)燒結(jié)。另一方面，銅比銀更易氧化，因此納米銅粉通常只能在極短的工藝時(shí)間內(nèi)使用，這對(duì)實(shí)際應(yīng)用造成了困擾。面對(duì)這一兩難挑戰(zhàn)，賀利氏運(yùn)用獨(dú)特的造粉技術(shù)和溶劑體系，開(kāi)發(fā)出由微米銅構(gòu)成的燒結(jié)銅漿料。這種漿料適合長(zhǎng)達(dá)八小時(shí)的連續(xù)印刷時(shí)間，燒結(jié)后的質(zhì)量不會(huì)受到氧化的影響，同時(shí)，燒結(jié)強(qiáng)度也能達(dá)到與燒結(jié)銀相近的水平。

圖表 2. 燒結(jié)銅應(yīng)用流程圖。

圖2展示了燒結(jié)銅的應(yīng)用流程。使用燒結(jié)銅需要經(jīng)過(guò)1）印刷燒結(jié)銅，2）貼芯片，3）燒結(jié)銅烘干，4）燒結(jié)四個(gè)步驟。首先，在連續(xù)印刷過(guò)程中，漿料粘度的一致性是保證燒結(jié)銅漿最終質(zhì)量一致性的關(guān)鍵。以連續(xù)印刷時(shí)間為橫坐標(biāo)，相對(duì)粘度為縱坐標(biāo)，可以看出燒結(jié)銅在經(jīng)過(guò)八小時(shí)的連續(xù)印刷后，粘度僅變化14%，且在前四小時(shí)內(nèi)粘度保持相對(duì)穩(wěn)定。

圖表 3. 燒結(jié)銅持續(xù)印刷粘度變化圖。

推薦使用“濕貼”工藝，這主要基于兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，先貼芯片后烘干的工藝可以規(guī)避微米銅顆粒在空氣環(huán)境下的熱貼芯片引入的銅氧化風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也可以提供更好的初步貼片強(qiáng)度。其次，在銅漿仍然具有流動(dòng)性的狀態(tài)下貼片可以消除一系列因印刷不良引入的缺陷。然而，濕貼的挑戰(zhàn)在于有效排出氣體。通過(guò)對(duì)不同尺寸的芯片進(jìn)行烘干后的X-Ray分析，圖4指出濕貼工藝可以適配的最大芯片尺寸為9 mm * 9 mm，當(dāng)芯片尺寸達(dá)到10 mm * 10 mm 時(shí)就會(huì)出現(xiàn)氣孔。盡管如此，這一尺寸上限可以滿足目前市面上所有主流的SiC 芯片，甚至可以拓展到大部分的Si基IGBT芯片。同時(shí)，完整的芯片形貌說(shuō)明芯片與燒結(jié)銅之間存在良好的覆蓋面積并且沒(méi)有出現(xiàn)移位、松動(dòng)的問(wèn)題。

圖表 4. 不同尺寸芯片進(jìn)行烘干后的X-Ray表征。

最后，燒結(jié)銅漿的燒結(jié)強(qiáng)度通過(guò)芯片推力測(cè)試時(shí)的剪切強(qiáng)度進(jìn)行表征。在圖5中，5 mm * 5 mm的SiC芯片分別在260°C、280°C, 20Mpa, 30Mpa的組合下燒結(jié)了5分鐘。橫坐標(biāo)分別表示在260°C與280°C下各以20Mpa與30Mpa進(jìn)行燒結(jié)?？v坐標(biāo)為剪切強(qiáng)度。結(jié)果顯示，提高溫度與壓強(qiáng)對(duì)于燒結(jié)銅的燒結(jié)強(qiáng)度至關(guān)重要。當(dāng)溫度為260°C時(shí)，為了達(dá)到>40MPa的目標(biāo)，每顆芯片需要承受30MPa的壓強(qiáng)。而當(dāng)溫度升至280°C時(shí)，每顆芯片承受20MPa壓強(qiáng)即可達(dá)到與燒結(jié)銀近似的燒結(jié)效果。

圖表 5. 燒結(jié)銅的燒結(jié)參數(shù)與燒結(jié)效果數(shù)據(jù)。

上述結(jié)果綜合表明了燒結(jié)銅具有與燒結(jié)銀近似的工藝可行性。從工藝步驟到設(shè)備條件，燒結(jié)銅作為燒結(jié)銀的成本降低方案不會(huì)對(duì)客戶的生產(chǎn)線提出過(guò)多額外的要求。在成本方面，由于替換了貴金屬，燒結(jié)銅漿料的價(jià)格可以比燒結(jié)銀漿料有客觀的下降，并有望隨著規(guī)模化進(jìn)一步降低成本。我們堅(jiān)信，這一更具性價(jià)比的方案能為客戶提供更多的材料組合選擇，進(jìn)一步幫助客戶形成多樣化的產(chǎn)品線。

隨著PCIM Europe和Semicon China的成功舉辦，賀利氏目前向客戶開(kāi)放燒結(jié)銅漿PE401的樣品申請(qǐng)。同時(shí)，隨著可靠性試驗(yàn)逐步展開(kāi)，賀利氏也將公開(kāi)更多的可靠性研究數(shù)據(jù)。我們期待賀利氏特色的燒結(jié)產(chǎn)品能與中國(guó)的功率半導(dǎo)體客戶一起，深入探討并發(fā)掘更多優(yōu)秀的封裝解決方案！

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