燒結銅——更經濟且同樣可靠的芯片粘結材料

2023-08-15 11:25:25 來源: 電子創新網

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題之一就是“續航焦慮”。因此，具有更高能量轉換效率的電驅動系統受到了行業的高度重視。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運而生，它們使得新能源汽車能夠實現更長的純電續航里程以及更快的加速性能。

在新一代技術的可靠性工程中，熱管理是至關重要的問題之一。盡管碳化硅芯片的開關損耗相比傳統硅芯片有所降低，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，如何有效導出更多熱量并保持系統在較低溫度水平成為了SiC功率模塊的新挑戰。目前，業界普遍認為傳統的無鉛合金錫膏已經無法滿足SiC芯片的散熱需求。目前主流的替代方案是燒結銀材料，因為金屬銀本身具有高熔點和高導熱性，其熱導率可以達到200 W/mK以上，遠超過錫膏中使用的任何合金。然而，燒結銀的價格昂貴，使得其應用成本居高不下。為滿足客戶對更具性價比的燒結替代方案的需求，賀利氏推出了燒結銅材料。

圖表 1. 錫膏、燒結銀、燒結銅重要物理指標橫向對比。

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

然而，將燒結銅付諸實踐的挑戰比燒結銀要復雜得多。一方面，銅的燒結難度較大，通常需要使用納米級的銅粉才能獲取足夠的比表面積以促進燒結。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間內使用，這對實際應用造成了困擾。面對這一兩難挑戰，賀利氏運用獨特的造粉技術和溶劑體系，開發出由微米銅構成的燒結銅漿料。這種漿料適合長達八小時的連續印刷時間，燒結后的質量不會受到氧化的影響，同時，燒結強度也能達到與燒結銀相近的水平。

圖表 2. 燒結銅應用流程圖。

圖2展示了燒結銅的應用流程。使用燒結銅需要經過1）印刷燒結銅，2）貼芯片，3）燒結銅烘干，4）燒結四個步驟。首先，在連續印刷過程中，漿料粘度的一致性是保證燒結銅漿最終質量一致性的關鍵。以連續印刷時間為橫坐標，相對粘度為縱坐標，可以看出燒結銅在經過八小時的連續印刷后，粘度僅變化14%，且在前四小時內粘度保持相對穩定。

圖表 3. 燒結銅持續印刷粘度變化圖。

推薦使用“濕貼”工藝，這主要基于兩個優點。首先，先貼芯片后烘干的工藝可以規避微米銅顆粒在空氣環境下的熱貼芯片引入的銅氧化風險，同時也可以提供更好的初步貼片強度。其次，在銅漿仍然具有流動性的狀態下貼片可以消除一系列因印刷不良引入的缺陷。然而，濕貼的挑戰在于有效排出氣體。通過對不同尺寸的芯片進行烘干后的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，當芯片尺寸達到10 mm * 10 mm 時就會出現氣孔。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，完整的芯片形貌說明芯片與燒結銅之間存在良好的覆蓋面積并且沒有出現移位、松動的問題。

圖表 4. 不同尺寸芯片進行烘干后的X-Ray表征。

最后，燒結銅漿的燒結強度通過芯片推力測試時的剪切強度進行表征。在圖5中，5 mm * 5 mm的SiC芯片分別在260°C、280°C, 20Mpa, 30Mpa的組合下燒結了5分鐘。橫坐標分別表示在260°C與280°C下各以20Mpa與30Mpa進行燒結。縱坐標為剪切強度。結果顯示，提高溫度與壓強對于燒結銅的燒結強度至關重要。當溫度為260°C時，為了達到>40MPa的目標，每顆芯片需要承受30MPa的壓強。而當溫度升至280°C時，每顆芯片承受20MPa壓強即可達到與燒結銀近似的燒結效果。

圖表 5. 燒結銅的燒結參數與燒結效果數據。

上述結果綜合表明了燒結銅具有與燒結銀近似的工藝可行性。從工藝步驟到設備條件，燒結銅作為燒結銀的成本降低方案不會對客戶的生產線提出過多額外的要求。在成本方面，由于替換了貴金屬，燒結銅漿料的價格可以比燒結銀漿料有客觀的下降，并有望隨著規模化進一步降低成本。我們堅信，這一更具性價比的方案能為客戶提供更多的材料組合選擇，進一步幫助客戶形成多樣化的產品線。

隨著PCIM Europe和Semicon China的成功舉辦，賀利氏目前向客戶開放燒結銅漿PE401的樣品申請。同時，隨著可靠性試驗逐步展開，賀利氏也將公開更多的可靠性研究數據。我們期待賀利氏特色的燒結產品能與中國的功率半導體客戶一起，深入探討并發掘更多優秀的封裝解決方案！

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