SiC功率模塊封裝材料的研究進展

轉自：半導體在線，來源：科技創(chuàng)新與應用，作者：程書博，張金利，張義政，吳亞光，王維（中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊050000）

摘要

隨著SiC功率模塊的高頻高速、高壓大電流、高溫、高散熱和高可靠發(fā)展趨勢，基于封裝結構和封裝材料的SiC功率模塊封裝技術也在不斷地更新?lián)Q代。與封裝結構相比，SiC功率模塊封裝材料的相關研究報道較少。該文從封裝材料角度出發(fā)，綜述近年來陶瓷覆銅基板、散熱底板、黏結材料、互連材料及灌封材料的研究進展，同時引出相關封裝材料的研究重點，以滿足SiC功率模塊的應用需求。

在新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)和航空航天等領域，功率模塊正朝著高頻高速、高壓大電流、高溫、高散熱和高可靠的方向發(fā)展。與Si等第一代半導體材料相比，以SiC為代表的第三代半導體材料具備更快的電子飽和漂移速度、更高的擊穿場強、更寬的禁帶寬度、更高的熱導率及更強的抗輻照等特性，可以滿足功率模塊的進一步發(fā)展需求。然而，新一代SiC功率模塊由于封裝技術的限制，尚未完全發(fā)揮出SiC半導體材料的優(yōu)勢。因此，SiC功率模塊封裝技術（封裝結構和封裝材料）的相關研究非常重要。事實上，近幾年關于SiC功率模塊封裝結構的研究報道較多，而封裝材料的相關報道則較少。本文從封裝材料角度出發(fā)，同時結合功率模塊的發(fā)展需求，對國內(nèi)外SiC功率模塊封裝材料的研究進展進行綜述。

1SiC功率模塊封裝材料的分類與功能

針對功率模塊的高頻高速、高壓大電流、高溫、高散熱和高可靠發(fā)展需求，SiC功率模塊衍生出了許多先進封裝結構。不過，封裝結構的設計優(yōu)化，還需要搭配合適的封裝材料，才能充分發(fā)揮SiC半導體材料的性能優(yōu)勢，進而滿足SiC功率模塊的發(fā)展需求。在此以傳統(tǒng)功率模塊封裝結構為例，將封裝材料分為陶瓷覆銅基板、散熱底板、黏結材料、互連材料和灌封材料5大類。如圖1所示。

上述SiC功率模塊封裝材料的功能羅列如下：

①陶瓷覆銅基板是功率模塊的載體，通過表面的圖形化銅箔導體為功率器件提供電路連接，通過內(nèi)部的陶瓷將表面導體電路與散熱底板等金屬材料隔離絕緣，另外，其還為功率器件提供了散熱通道。因此，陶瓷覆銅基板需具備優(yōu)異的機械性能、電性能及散熱性能；

②散熱底板一般與陶瓷覆銅基板相連接，以將其熱量傳遞到外界環(huán)境或者冷卻介質中。因此，散熱底板應具備與陶瓷覆銅基板相匹配的熱膨脹系數(shù)，且散熱性能優(yōu)異；

③功率器件底面與陶瓷覆銅基板之間、陶瓷覆銅基板與散熱底板之間往往需要采用黏結材料將其連接為一體，以實現(xiàn)相應的機械、電或熱連接等功能。因此，黏結材料應具備較強的抗蠕變和抗疲勞性能，合適的熔融溫度、電導率和熱膨脹系數(shù)，熱導率高，且成本低、環(huán)境友好；

④功率器件頂部電極、導體電路、輸入/輸出端子之間一般采用互連材料形成電氣連接，因此，互連材料需具備優(yōu)異的導電性能，且抗疲勞性能優(yōu)異；

⑤灌封材料一般為有機介質，通過灌封工藝填充在上述材料之間，以保護功率器件、互連材料等脆弱部件免受濕氣或化學物質的侵蝕，并起到絕緣和散熱作用。因此，灌封材料需具備優(yōu)異的填充性能、耐蝕性能、絕緣性能及散熱性能。

2SiC功率模塊封裝材料研究進展

2.1陶瓷覆銅基板研究進展

隨著SiC功率模塊的高可靠、大電流、高散熱應用需求，陶瓷覆銅基板開始朝著高強度、高絕緣、高導熱和覆厚銅（0.3mm以上）的方向發(fā)展。在陶瓷覆銅基板中，常用的陶瓷材料包括氧化鋁、氮化鋁、ZTA和氮化硅等。雖然氧化鋁、氮化鋁的絕緣性能好，尤其氮化鋁還具備非常高的熱導率，然而，這2種陶瓷的強度均較低（一般低于400MPa），不能覆接厚銅，無法滿足SiC功率模塊的高可靠和大電流發(fā)展趨勢。ZTA和氮化硅的強度較高（一般高于600MPa），可以通過覆接厚銅承載更大的電流，還可以通過減薄陶瓷厚度來降低熱阻，符合SiC功率模塊的高可靠、大電流、高散熱發(fā)展趨勢。

在新能源汽車領域，ZTA覆銅板因成本低、可靠性高，目前在功率模塊封裝基板市場的占有率較高；氮化硅覆銅板因與SiC的熱膨脹系數(shù)更匹配，而成為SiC功率模塊的首選，在SiC功率模塊封裝基板的市場占有率逐年提升。事實上，這2種陶瓷覆銅基板的優(yōu)異性能與陶瓷材料的本征特性密切相關。目前，ZTA和氮化硅陶瓷材料的相關研究主要集中在燒結工藝和助燒劑優(yōu)化上。吳崇雋等采用流延成型和常壓燒結工藝制備ZTA陶瓷，實驗結果顯示，ZTA陶瓷的機械性能隨著ZrO2含量的提高呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當ZrO2含量為20%時，ZTA陶瓷的機械性能最佳，抗彎強度為865MPa，斷裂韌性為5.7MPa·m^1/2。Hu等采用2步氣壓燒結工藝來優(yōu)化氮化硅陶瓷的性能：第一步在1525℃溫度下燒結3h，促進氮化硅的α→β相轉變和致密化；第二步在1850℃溫度下燒結3h，抗彎強度達到801MPa，熱導率達到79.42W/（m·K）。Liang等在氮化硅原粉中引入MgO和自制YB₂C₂（由Y₂O₃、B₄C和C合成）助燒劑，并采用熱壓燒結工藝在1800℃/60MPa條件下燒結2h，氮化硅陶瓷強度達到1189.6±43.7MPa，斷裂韌性達到9.46±0.14MPa·m^1/2，熱導率達到77W/（m·K）。

2.2散熱底板研究進展

隨著SiC功率模塊的高溫、高散熱、高可靠應用需求，散熱底板開始朝著高溫適配、高導熱、高強度的方向發(fā)展。在實際應用中，銅基散熱底板材料由于熱膨脹系數(shù)過大，在高溫條件下很容易出現(xiàn)熱應力失效等可靠性問題。而AlSiC散熱底板材料不僅熱膨脹系數(shù)可調，而且熱導率大、強度高，符合SiC功率模塊的高溫、高散熱、高可靠發(fā)展趨勢。

目前AlSiC散熱底板材料的相關研究主要集中在制備方法上，可分為兩大類：原位合成法和外加法。其中，原位合成法是在制備過程中通過化學反應原位生成增強體，增強體細小均勻，且與基體相容性良好。外加法包括真空壓力滲透法、熔融超高熱等靜壓法、粉末冶金法和擠壓鑄造法等，可將增強體直接加入基體中，工藝相對簡單可控，但增強體與基體之間的浸潤性差，界面結合較弱。章呈[6]采用無壓燒結和SPS燒結相結合的工藝，原位合成AlSiC材料（SiC含量20%），抗拉強度為172MPa，熱導率約140W/（m·K）。王書唯等[7]采用干粉模壓成型工藝制備碳化硅多孔預制坯，再通過真空壓力滲鋁法制備AlSiC材料，熱導率為（176～206）W/（m·K），熱膨脹系數(shù)為（8～9.5）/×10^-6K，符合功率模塊的應用需求。徐廣等[8]采用熔融超高熱等靜壓法，制得表面覆有鋁金屬的鋁碳化硅材料，熱導率達到220W/（m·K），熱膨脹系數(shù)為（6.5～7.5）/×10^-6K。

2.3黏結材料研究進展

隨著SiC功率模塊的高溫、高可靠應用需求，黏結材料開始朝著耐高溫、高界面強度的方向發(fā)展。此處的黏結材料主要用于功率器件底部與陶瓷覆銅基板的界面、陶瓷覆銅基板與散熱底板的界面。隨著無鉛化的環(huán)保要求，Sn-Ag-Cu替代Pb-Sn被廣泛應用于電子行業(yè)，然而，在功率模塊應用時，Sn-Ag-Cu具有如下缺點：不耐高溫（回流溫度為220～260℃）；不耐腐蝕，且容易產(chǎn)生錫須和金屬間化合物，無法滿足SiC功率模塊的高溫、高可靠發(fā)展趨勢。針對上述問題，納米金屬黏結材料和瞬態(tài)液相黏結（TLP）材料應運而生。納米金屬黏結材料基于納米材料的尺寸效應，可以實現(xiàn)低溫黏結、高溫服役的功能，最常見的是納米銀漿；瞬態(tài)液相黏結材料在高溫加熱時形成少量液相，可與母材形成黏結界面，包括Ag-Sn、Cu-Sn、Au-Sn、Au-In和Ag-In等。

目前，在功率模塊中廣泛應用的納米銀漿具備優(yōu)異的機械、熱和抗蠕變性能，但存在高成本、多孔洞、裸銅黏結困難等缺點。針對納米銀漿的高成本問題，Zuo等將20nm和100nm的納米銅粉進行級配，制得低成本的納米銅漿，在250℃/4MPa/20min條件下，黏結界面的剪切強度達到15MPa。針對納米銀漿的孔洞問題，Wei等在Ag-Sn微米級合金粉中加入有機添加劑，制得低孔洞Ag-Sn黏結材料，在300℃/20MPa/30min條件下，黏結界面的剪切強度達到32MPa，孔洞率低于4%；并且，經(jīng)過2000h高溫貯存后，黏結界面的剪切強度和孔洞率沒有明顯變化。針對納米銀漿裸銅黏結困難問題，Liu等先采用十八烷基硫醇（ODT）包覆DBC陶瓷覆銅基板，而后采用納米銀漿在大氣環(huán)境下進行裸銅黏結，在280℃/2MPa/30min條件下，黏結界面的剪切強度達到12.72MPa。

2.4互連材料研究進展

隨著SiC功率模塊的高頻高速、高可靠應用需求，互連材料開始朝著低寄生電感、抗電遷移、熱膨脹系數(shù)匹配的方向發(fā)展。此處的互連材料指功率器件上表面電極與陶瓷覆銅基板或端子間的電互連。傳統(tǒng)功率模塊一般采用引線鍵合的方式進行互連，但引線鍵合因寄生電感大，容易出現(xiàn)開關損耗和電壓突增現(xiàn)象，不符合SiC功率模塊的高頻高速發(fā)展趨勢。事實上，互連材料本身對寄生電感的影響不大，但可以采用平面互連等新結構去減弱寄生電感的影響。Al是常用的功率模塊互連材料，但容易因電遷移而產(chǎn)生空洞等缺陷，進而引發(fā)互連可靠性問題。與Al材料相比，Cu互連材料不僅電阻率低、熔點高、載流能力強，還具備較好的抗電遷移性能，符合SiC功率模塊的高可靠發(fā)展需求。同時，Cu互連材料與新型平面互連結構相結合，可大大降低功率模塊的寄生電感。除此之外，在一些雙面散熱封裝結構中，功率器件的上表面電極還會通過墊塊或墊片等與對面的覆銅板形成電互連。劉文[14]在雙面散熱功率模塊中采用鍍銀Mo塊，代替鋁線將功率器件與覆銅板形成電氣連接，這里的Mo塊不僅與器件的熱膨脹系數(shù)匹配，還因彈性模量較大、不易變形，能夠有效地緩解應力。

2.5灌封材料研究進展

隨著SiC功率模塊的高壓、高溫、高可靠應用需求，灌封材料開始朝著耐高壓、耐高溫、高強度的方向發(fā)展。功率模塊中常用的灌封材料是環(huán)氧樹脂和有機硅材料，其中，環(huán)氧樹脂存在耐熱性差、脆性大、光照易黃變等問題，不符合SiC功率的高溫和高可靠發(fā)展趨勢。而有機硅凝膠具有高絕緣、耐高溫、耐濕/光性，且楊氏模量小、熱應力低的特性，非常適合SiC功率模塊的高壓、高溫、高可靠應用需求。目前有機硅灌封材料主要從改性角度來提高材料的本征性能，比如主鏈改性、填料改性等。Zhang等在有機硅中引入B元素，使其與主鏈中的硅氧鍵共價結合，改善其熱穩(wěn)定性和機械性能，熱分解溫度達到675℃，抗拉強度達到4.65MPa。陳向榮等[16]在有機硅中引入硅烷偶聯(lián)劑改性納米氮化鋁填料，經(jīng)過250℃/500h老化實驗后，未添加填料的均開裂，擊穿場強由47.27kV/mm降至23.48kV/mm；添加量3%的均不開裂，擊穿場強由43.61kV/mm提升到52.02kV/mm；王鑫等在有機硅中引入改性氫氧化鈣粉體填料，改善了硅橡膠的機械性能，抗拉強度由6.83MPa提高到7.55MPa。

3結束語

基于SiC功率模塊的高頻高速、高壓大電流、高溫、高散熱和高可靠應用需求，SiC功率模塊封裝材料也在不斷地更新迭代：在陶瓷覆銅基板領域，ZTA覆銅板和氮化硅覆銅板通過助燒劑和燒結工藝優(yōu)化，朝著高強度、高絕緣、高導熱和覆厚銅的方向發(fā)展；在散熱底板領域，鋁碳化硅材料通過嘗試不同制備方法，朝著高強度、高導熱、熱膨脹系數(shù)匹配的方向發(fā)展；在黏結材料領域，納米銅漿和瞬時液相黏結材料可彌補納米銀漿的短板，朝著低成本、少孔洞、裸銅黏結的方向發(fā)展；在互連材料領域，Cu、Mo等互連材料與新的封裝結構相結合，朝著低寄生電感、抗電遷移、熱膨脹系數(shù)匹配的方向發(fā)展；在灌封材料領域，有機硅通過主鏈改性、填料改性等方式，朝著耐高壓、耐高溫、高強度的方向發(fā)展。隨著封裝材料的不斷深入研究，SiC功率模塊將逐步實現(xiàn)高性能、規(guī)?；瘧?。

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