TPAK SiC優(yōu)選解決方案：有壓燒結(jié)銀+銅夾Clip無壓燒結(jié)銀

第三代半導(dǎo)體以及新能源汽車等新興電力電子領(lǐng)域的出現(xiàn)和發(fā)展，對于功率模塊的發(fā)展不僅僅停留在芯片技術(shù)的迭代，同時(shí)為了滿足更高的需求。性能取決于封裝技術(shù)的高占比率，汽車行業(yè)對于成本效率、可靠性和緊湊性有著很高的要求，新的封裝技術(shù)和工藝日益浮出水面。

相比之前的標(biāo)準(zhǔn)化模塊封裝，近年來各具特色的模塊封裝類型都慢慢發(fā)展起來，比如：DCM、HPD和TPAK等等。并且其中細(xì)節(jié)部分也有著不一樣的改進(jìn)，如DBB技術(shù)、Cu-Clip技術(shù)、激光焊接、SKiN、單/雙面水冷、銀燒結(jié)、銅燒結(jié)等等，無疑給模塊封裝技術(shù)增添了更多組合的可能，以應(yīng)對不同的性價(jià)比和應(yīng)用。

在IGBT的封裝失效模式中，焊料的疲勞和鍵合線故障導(dǎo)致的失效是器件失效的兩大主要原因。在IGBT多層結(jié)構(gòu)中，芯片下方的散熱通道是散熱的主要途徑，芯片下面焊料是其中的重要組成部分，也是較容易發(fā)生焊料疲勞退化的位置。

一 傳統(tǒng)焊料缺點(diǎn)

傳統(tǒng)釬焊料熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱性差，在工作期間產(chǎn)生的熱循環(huán)過程中，由于材料間CTE差異，在材料間產(chǎn)生交變的剪切熱應(yīng)力，在應(yīng)力的連續(xù)作用下，容易導(dǎo)致焊料層疲勞老化、產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而發(fā)展為材料分層，由于裂紋和分層的產(chǎn)生，焊料層與各層材料間的接觸面積減小，熱阻變大，加速了焊料層的失效，難以滿足車規(guī)高功率SiC器件封裝的可靠性及其高溫應(yīng)用要求。

二 鋁線鍵合缺點(diǎn)

由于鋁及其合金價(jià)格低、熱導(dǎo)率高，25℃時(shí)為237（W/mK），鋁線鍵合是目前模塊封裝中應(yīng)用較廣泛的一種芯片互連技術(shù)。但由于鋁的熱膨脹系數(shù)23.2×10-6K-1與硅芯片的熱膨脹系數(shù)4．1×10-6K-1相差較大，在長時(shí)間的功率循環(huán)過程中容易產(chǎn)生大量熱量并積累熱應(yīng)力，引起鍵合線斷裂或鍵合接觸表面脫落，導(dǎo)致模塊失效。在電流輸出能力要求較高的情況下，芯片表面鍵合引線的數(shù)目過多，會(huì)引起較大的雜散電感，同時(shí)對電流均流也有一定影響。

三 燒結(jié)銀AS9386+銅Clip優(yōu)點(diǎn)

為解決高功率密度車用模塊中芯片下面焊料疲勞與鍵合線故障問題，善仁新材針對Tpak SiC封裝，為客戶提供了一個(gè)創(chuàng)新的材料解決方案：有壓燒結(jié)銀AS9386+銅Clip方案。芯片與AMB間的連接采用燒結(jié)銀AS9386代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊料，5mm*5mm碳化硅芯片推薦燒結(jié)銀BLT厚度30UM左右。銀的熔點(diǎn)高達(dá)961℃，不會(huì)產(chǎn)生熔點(diǎn)小于300℃的軟釬焊連接層中出現(xiàn)的典型疲勞效應(yīng)，大幅提高了模塊的功率循環(huán)能力；芯片上表面采用無壓燒結(jié)銀AS9330焊接銅Clip的一體化leadframe替代鋁線鍵合，可以減小模塊內(nèi)部的雜散電感，提升了芯片表面電流的均流性，增強(qiáng)了模塊整體的過流能力。銅比鋁更優(yōu)異的導(dǎo)熱能力，也提升了模塊整體的散熱能力。有效地提升了模塊整體的出流能力和可靠性。

推薦：1使用較薄的Clip，建議厚度0.5-1.0mm之間，連接的位置熱機(jī)械應(yīng)力會(huì)更小，但滿足必要的載流能力的同時(shí)，盡量使用較薄的Clip。

2可以通過開孔來緩解應(yīng)力，孔的形狀大小和芯片接觸的邊緣位置又有所考究，這需要結(jié)合實(shí)際來具體設(shè)計(jì)完善的。

3 推薦TPAK模塊在內(nèi)外部都采用了燒結(jié)銀（sintering）作為連接方式。模塊內(nèi)部，芯片通過銀燒結(jié)層與AMB相連，代替錫焊層。在模塊外部，TPAK的底板也燒結(jié)到散熱器上，代替導(dǎo)熱膏涂層。兩者共同作用，不僅使得系統(tǒng)的散熱能力上了一個(gè)臺階，而且TPAK本身的可靠性，特別是功率循環(huán)次數(shù)，也獲得了很大提高。另外，散熱性能的提高意味著同樣尺寸的芯片可以在限定的結(jié)溫下輸出更大的電流，或是輸出同樣的電流下用較小尺寸的芯片，實(shí)現(xiàn)芯片降本。

四 測試數(shù)據(jù)

按照AQG-324標(biāo)準(zhǔn)，獲取模塊在隨機(jī)激勵(lì)條件下的振動(dòng)頻率，研究銅夾Clip方案模塊被迫抵抗外部隨機(jī)振動(dòng)的能力與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性。

根據(jù)仿真結(jié)果：模塊整體應(yīng)力較小，較大應(yīng)力出現(xiàn)在與塑封體相交的銅排端子處部位，其中較大應(yīng)力不超38MPa，安全系數(shù)取1.35，滿足安全使用條件。

在對應(yīng)PSD頻譜作用下，模塊較易損壞的部分是與塑封相交的銅排端子處部位，與模型的應(yīng)力分布相吻合，其中模塊較低壽命為9.9×104s滿足22h要求。電感部分對模塊整體電感進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果模塊電感4.9nH滿足設(shè)計(jì)要求。

前期驗(yàn)證考慮芯片較大結(jié)溫是否滿足芯片耐受溫度。使用軟件PLECS，依據(jù)數(shù)據(jù)手冊計(jì)算相應(yīng)芯片損耗，根據(jù)熱仿真結(jié)果芯片較高溫度小于140℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

總的來說，善仁新材推出的車規(guī)級SIC Tpak器件材料解決方案：采用有壓燒結(jié)銀AS9386和銅夾Clip無壓燒結(jié)銀技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高可靠性、低熱阻、低雜散電感器件設(shè)計(jì)。銀燒結(jié)技術(shù)使用銀漿替代傳統(tǒng)焊料，降低模塊整體熱阻，提高芯片和AMB互連的可靠性，有效增強(qiáng)模塊的功率循環(huán)能力。銅夾Clip技術(shù)利用Leadframe一體化的銅排代替鍵合鋁線，可以有效地減小模塊內(nèi)部雜散電感，擁有更高的電流輸出能力的同時(shí)可以增強(qiáng)芯片的散熱，提高模塊的可靠性。