徐文輝，陳　云，王　立

（揚州國揚電子有限公司，江蘇揚州225100）

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SiC混合功率模塊封裝工藝

徐文輝，陳云，王立

（揚州國揚電子有限公司，江蘇揚州225100）

摘要：SiC（碳化硅）材料作為第三代半導體材料，具有高結溫、高臨界擊穿電壓、高熱導率等特點，因此，SiC材料有利于實現功率模塊的小型化并提高功率模塊的高溫性能?；诖耍瑫r為了實現模塊的自主可控化，將Si模塊中的Si二極管用自主SiC二極管進行替代，制作SiC混合功率模塊。主要介紹混合功率模塊封裝工藝的關鍵工序：回流、鋁線鍵合、點膠、灌膠。

關鍵詞：SiC；功率模塊；回流；鍵合；點膠；灌膠

1　引言

SiC是自第一代元素半導體材料Si和第二代化合物半導體材料（砷化鎵、磷化鎵、磷化銦）之后發(fā)展起來的第三代半導體材料。采用一、二代傳統(tǒng)的半導體材料制作的集成電路與器件無法在高溫環(huán)境下持續(xù)工作，且輸出功率低，受高頻、高腐蝕等條件的影響嚴重；與之相比，SiC寬禁帶半導體材料具有寬禁帶、高臨界擊穿電壓、高熱導率、高載流子飽和漂移速度等特點，相應開發(fā)的半導體器件及模塊在高溫下具有良好的轉換特性和工作能力，能有效提高轉換效率和工作溫度，降低對冷卻系統(tǒng)的要求，在航空航天、混合動力裝置、高效光伏/風電系統(tǒng)、油氣鉆探、核電設備等領域需在300～500℃工作的高溫電路和器件中具有重要的應用價值[1]。同等功率下，相比Si器件，SiC器件體積更小，更容易實現功率模塊的小型化及輕量化。

為了提高現有Si器件產品的性能，同時實現元器件的自主可控化，將原模塊中的Si二極管用自主SiC二極管進行替代，制作SiC混合功率模塊。本文主要介紹SiC混合功率模塊的封裝工藝關鍵工序：回流、鋁線鍵合、點膠、灌膠。

2　模塊結構

模塊內部的結構如圖1所示。

圖1　模塊內部結構示意圖

銅底板主要用于模塊工作時的散熱；焊接層為錫膏或者錫片焊接，用于底板和DBC（雙面覆銅陶瓷基板）以及DBC和芯片之間的連接；DBC實現設計所需電路結構；鍵合鋁線實現各部件的電路連接。

模塊外部結構主要為外殼體和端子，外殼通過點膠工藝和底板相連，端子一般注塑到殼體內部，通過鍵合線與內部電路相連或者直接焊接到DBC。模塊內部需要灌注硅膠，其作用是防腐防潮保護內部電路，同時又對內部各部件進行高壓隔離。

3　主要工藝流程

模塊封裝工藝主要包括回流焊接、鋁線鍵合、點膠、灌膠工藝。

3.1回流焊接

一次回流焊接主要實現芯片和DBC的連接，二次回流焊接主要實現DBC和底板之間的連接。

隨著全球環(huán)保意識的增強，越來越多的組織或公司禁止鉛在電子工業(yè)中的應用，因此需要選擇一種無鉛焊料替代原來普遍使用的錫鉛焊料。

在功率模塊生產工藝中，目前一般使用SnAg（錫銀）、SnAgCu（錫銀銅）合金焊料替代錫鉛焊料。SnAg焊料成分比為Sn:Ag=96.5:3.5，熔點為221℃；SnAgCu焊料成分比Sn:Ag:Cu=96.5:3:0.5，熔點為217℃[2]。由于SnAg焊料熔點相對較高，為了防止二次回流焊接時SnAg焊料熔化，因此SnAg焊料一般用于一次回流焊接，用于芯片和DBC之間的連接；SnAgCu一般用于二次回流焊接，用于DBC和底板之間的連接。

焊接過程主要分為以下4個階段[2]。

（1）預熱區(qū)：使各部件達到熱平衡狀態(tài)，焊料中的溶劑、氣體蒸發(fā)掉，同時焊料軟化、塌落、覆蓋焊接區(qū)域，該過程要保證升溫緩慢均勻，溶劑的揮發(fā)較為溫和，對元器件的熱沖擊盡可能小，升溫過快會造成對元器件的損傷。

（2）保溫區(qū)：各部件得到充分的預熱，以防突然進入焊接高溫區(qū)而損壞元器件。

（3）焊接區(qū)：溫度迅速上升使焊料達到熔化狀態(tài)，液態(tài)焊料在焊接區(qū)域潤濕、擴散。

（4）冷卻區(qū)：冷卻速度要比預熱速率略高，使焊料凝固，完成回流焊接。

焊接完成之后，需要對焊接質量進行檢驗，檢驗項目為空洞率，檢驗手段為X光透射和超聲掃描，X光透射效率較高，但是由于功率限制，其只能穿透較薄物體（如DBC），難以穿透較厚的物體（如銅底板）；而超聲掃描可以進行較厚物體的掃描，但是工作效率較低。因此，對于一次回流焊接后芯片底部的空洞率測試采用X光透射，對于二次回流焊接后DBC底部的空洞率測試采用超聲掃描。空洞率一般要求單個空洞率不超過1％，總空洞率不超過3％[3]。圖2為芯片底部的X光透射照片，圖3為DBC底部的超聲掃描照片。

圖2　X光透射照片

圖3　超聲掃描照片

3.2鋁線鍵合

鍵合是利用超聲換能器將電能轉換為超聲振動，超聲振動在通過裝置于換能器上的焊接工具傳遞到兩個需焊接的物體表面，在一定壓力下兩個物體表面相互摩擦形成原子間的熔合而達到連接的目的[4]。圖4為鋁線鍵合的外觀。

鍵合一般分為金線、銅線、鋁線鍵合，功率模塊生產中廣泛應用的是粗鋁線（102～508 μm）鍵合，因為現工藝技術條件下，鋁線鍵合能做到的線徑較大，承載電流能力較強。

鋁線鍵合表面一般是鋁、銅、鎳、金、銀，所以對于一些不易鍵合的材料可以通過表面處理附上一定厚度的可鍵合金屬使其獲得可鍵合性。研究表面，具有面心立方結構的金屬有較好的可鍵合性能，這種結構除頂角上有原子外，在晶胞立方體6個面的中心處還有6個原子，故稱為面心立方，常見金屬中，鋁、銅、鎳、金、銀、γ-鐵都屬于這種結構[5]。圖5為面心立方結構的示意圖。

圖4　鋁線鍵合外觀

圖5　面心立方結構示意圖

鍵合的焊接影響深度約為1％線徑，因此對于一些需要電鍍或者化學鍍的鍵合表面，其鍍層厚度必須大于這個1％線徑厚度，因此鋁線鍵合工藝對表面金屬層的厚度要求一般大于5 μm。

功率模塊生產中，粗鋁線鍵合工藝最常用的線是99.99％純鋁線；但在一些特殊的場合中，比如一些難以鍵合的界面，會選擇99.999％（五九）純鋁線進行鍵合，這種非常軟的線有助于鍵合工藝的實現，但是這種鋁線的長期可靠性不高。研究表明，99.99％純鋁線中含有一些微量顆?？梢砸种其X的晶界擴張，而99.999％純鋁線沒有這些微量顆粒，這會導致鋁的晶界在溫度循環(huán)過程中持續(xù)擴張，如果晶界擴張到接近于線徑的尺寸，會導致鋁線斷裂，所以這種99.999％的高純度鋁線不適宜用于高可靠性或者軍工級別的功率模塊生產[5]。

鋁線中一般會根據使用要求，摻雜一些微量金屬元素來改善鋁線的性能：硅、鎂（提高機械強度、疲勞強度），鉻、鎳（提高耐腐蝕性）。

鍵合點強度一般用拉力測試和推力測試來確定，該測試依靠推拉力測試機完成。功率模塊鋁線鍵合工藝中鍵合點結合強度控制標準如表1所示。

表1　鍵合點結合強度控制標準[3]

3.3點膠

點膠工藝主要實現底板與殼體之間的粘接，而且需保證底板與殼體之間的緊密連接，防止后續(xù)的灌膠工藝過程中漏膠。

密封膠采用RTV-1膠，該膠是一種單組份室溫硫化硅橡膠，由基礎聚合物（二甲基硅氧烷）、交聯(lián)劑、催化劑、填料及添加劑等配制而成[6]。該膠在常溫下接觸空氣中的濕氣后即可固化成彈性體，一般表干時間為3～4 h。該膠擁有獨特的分子結構，其在苛刻工作環(huán)境下表現出優(yōu)異的電氣絕緣性能、化學穩(wěn)定性、彈性、耐濕性、對基材的粘附性、低離子雜質以及與加工工藝的兼容特性，對多種金屬和非金屬材料有良好的粘接性，為電子電器產品的長期壽命提供了可靠的保障，能在-60～200℃溫度范圍內長期使用[6]。

3.4灌膠

灌膠主要為了提高模塊工作時的電氣絕緣性能，且保護元器件免于暴露于環(huán)境，避免受到灰塵、濕氣、機械沖擊等的危害。

灌膠采用一種1:1混合的雙組份硅凝膠，該硅凝膠混合后常溫下即可固化，實際生產中一般通過加熱來提高其固化速度。固化后的硅凝膠擁有介電性能好、導熱系數高、固化收縮率小等特點，有效降低模塊內部的應力[7]。

硅凝膠在操作過程中，所有的接觸表面必須是干凈的并且沒有會阻止硅凝膠固化的污染物，如含硫、胺的材料、有機金屬的化合物，特別是有機錫的化合物。雙組份硅凝膠中一種組份為交聯(lián)劑，另一組份包含鉑催化劑。兩組份混合后鉑催化劑會促使交聯(lián)劑產生凝膠化作用，因此操作過程中避免膠體與含有鉑的工具或者容器接觸，防止膠體提前固化[7]。

膠體混合完成后，需進行真空除氣泡工藝，氣泡的存在會影響硅凝膠的性能。膠體混合完成后，固化反應時間可以在廣泛的范圍內調整，通過添加催化劑

或抑制劑來適應特殊應用的處理需求[7]。

4　結束語

本文分別研究了功率模塊封裝工藝中回流焊接、鋁線鍵合、點膠、灌膠工藝的工藝機理、材料、工藝過程、質量控制方法，通過這些技術的研究，對功率模塊的生產有較大的指導意義，可以提高生產良率和效率。

參考文獻：

[1]陳治明，李守智.寬禁帶半導體電力電子器件及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2]盛菊儀，徐冠捷.無鉛回流焊工藝及設備[J].電子工藝技術，2004，02：60-63.

[3] MIL-STD-750D. Test Method Standard Semiconductor Devices[S]. Washington D C: Department of Defense, 1995.

[4]何田.引線鍵合技術的現狀和發(fā)展趨勢[C].中國國際集成電路研討會，2004. 12-14.

[5]李元升.引線鍵合機工藝技術分析[J].電子工業(yè)專用設備，2004，33(3):78-81.

[6]趙翼翔，陳新度，陳新.微電子封裝中的流體點膠技術綜述[J].液壓與氣動，2006，2: 52-54.

[7] William W Sheng, Ronald P Colino. Power Electronic Modules Design and Manufacture[M]. CRC PRESS, 2004.

徐文輝（1976—），男，江西南昌人，學士，中級職稱，現研究方向為功率半導體封裝開發(fā)。

Packaging Process of SiC Hybrid Power Module

XU Wenhui, CHEN Yun, WANG Li
（Yangzhou Guoyang Electronics CO.,LTD., Yangzhou 225100, China）

Abstract：SiC materials as the third generation of semiconductor materials, which with high junction temperature and the critical breakdown voltage, high heat conductivity, etc, is advantageous to realize the miniaturization of power module, and improve the high temperature performance of the powermodule. Based on this, make SiC hybrid power module with autonomous SiC diode which replace Si diode in order to achieve independent controllability. Key packaging process of hybrid power module is introduced in this paper, whichmainly contains reflow soldering,Al wire bonding, adhesive dispense, sealant pouring.

Keywords：SiC; power module; reflow soldering; wire bonding; adhesive dispense; sealant pouring

作者簡介：

收稿日期：2015-12-1

中圖分類號：TN305.94

文獻標識碼：A

文章編號：1681-1070（2016）03-0001-03