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(shì)，基于封裝結(jié)構(gòu)和封裝材料的 SiC 功率模塊封裝技術(shù)也在不斷地更新?lián)Q代。與封裝結(jié)構(gòu)相比，SiC 功率模塊封裝材料的相關(guān)研究報(bào)道較少。本文從封裝材料角度出發(fā)，綜述近年來(lái)陶瓷覆銅基板、散熱底板、黏結(jié)材料、互連材料及灌封材料的研究進(jìn)展，同時(shí)引出相關(guān)封裝材料的研究重點(diǎn)，以滿足 SiC 功率模塊的應(yīng)用需求。

為解決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(jìn)封裝結(jié)構(gòu)，如直接引線鍵合(DLB) 結(jié)構(gòu)、SKiN 結(jié)構(gòu)、嵌入式結(jié)構(gòu)、Semikon 平面互連技術(shù)、2.5D 結(jié)構(gòu)、芯片上芯片(CoC)結(jié)構(gòu)、3D 晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)等。

圖?部分SiC 功率模塊先進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)

不過(guò)，封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(dǎo)體材料的性能優(yōu)勢(shì)，進(jìn)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(jié)構(gòu)為例，將封裝材料分為陶瓷覆銅基板、散熱底板、黏結(jié)材料、互連材料和灌封材料 5 大類，如下圖所示。

圖 傳統(tǒng)功率模塊封裝結(jié)構(gòu)與封裝材料

1、陶瓷覆銅基板

陶瓷基板是功率模塊的載體，通過(guò)表面的圖形化銅箔導(dǎo)體為功率器件提供電路連接，通過(guò)內(nèi)部的陶瓷將表面導(dǎo)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(jī)械性能、電性能及散熱性能。

隨著 SiC 功率模塊的高可靠、大電流、高散熱應(yīng)用需求，陶瓷覆銅基板開(kāi)始朝著高強(qiáng)度、高絕緣、高導(dǎo)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。

圖 DCB/AMB基板 來(lái)源富樂(lè)華

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(dǎo)率，然而，這 2 種陶瓷的強(qiáng)度均較低（一般低于 400 MPa），不能覆接厚銅，無(wú)法滿足 SiC功率模塊的高可靠和大電流發(fā)展趨勢(shì)。

ZTA 和氮化硅的強(qiáng)度較高（一般高于 600 MPa），可以通過(guò)覆接厚銅承載更大的電流，還可以通過(guò)減薄陶瓷厚度來(lái)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(shì)。在新能源汽車領(lǐng)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(chǎng)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(chǎng)占有率逐年提升。

事實(shí)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(guān)。目前，ZTA 和氮化硅陶瓷材料的相關(guān)研究主要集中在燒結(jié)工藝和助燒劑優(yōu)化上。

ZTA陶瓷覆銅基板相關(guān)廠商有：羅杰斯、賀利氏電子、富樂(lè)華、韓國(guó)KCC、博敏電子、日本礙子、展至電子等。

AMB 氮化硅基板相關(guān)廠商有：日本東芝Toshiba、丸和MARUWA、電化Denka、富樂(lè)華、福建臻璟、中材高新氮化物陶瓷、海古德、正天新材、艾森達(dá)、博勝材料、紅星電子等。

2024年SiC有望大規(guī)模放量，高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板備受矚目

2、散熱底板

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(zhì)中。因此，散熱底板應(yīng)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。

隨著 SiC 功率模塊的高溫、高散熱、高可靠應(yīng)用需求，散熱底板開(kāi)始朝著高溫適配、高導(dǎo)熱、高強(qiáng)度的方向發(fā)展。在實(shí)際應(yīng)用中，銅基散熱底板材料由于熱膨脹系數(shù)過(guò)大，在高溫條件下很容易出現(xiàn)熱應(yīng)力失效等可靠性問(wèn)題。而鋁基碳化硅?AlSiC 散熱底板材料不僅熱膨脹系數(shù)可調(diào)，而且熱導(dǎo)率大、強(qiáng)度高，符合 SiC 功率模塊的高溫、高散熱、高可靠發(fā)展趨勢(shì)。

目前 AlSiC 散熱底板材料的相關(guān)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(guò)程中通過(guò)化學(xué)反應(yīng)原位生成增強(qiáng)體，增強(qiáng)體細(xì)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(qiáng)體直接加入基體中，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單可控，但增強(qiáng)體與基體之間的浸潤(rùn)性差，界面結(jié)合較弱。

鋁碳化硅材料相關(guān)廠商有：國(guó)外CPS Technologies、日本電化Denka、日本精密陶瓷JFC、日本大和熱磁、住友電工、美國(guó)DWA、TTC、Materion住友電工等；國(guó)內(nèi)鋁榮新材、浩威特、明科微電、富烯科技、億特立、思萃熱控、創(chuàng)正新材、西安法迪復(fù)合材料、晶奕科技等。

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3、黏結(jié)材料

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(jié)材料將其連接為一體，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的機(jī)械、電或熱連接等功能。因此，黏結(jié)材料應(yīng)具備較強(qiáng)的抗蠕變和抗疲勞性能，合適的熔融溫度、電導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)，熱導(dǎo)率高，且成本低、環(huán)境友好。

隨著 SiC 功率模塊的高溫、高可靠應(yīng)用需求，黏結(jié)材料開(kāi)始朝著耐高溫、高界面強(qiáng)度的方向發(fā)展。此處的黏結(jié)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(wú)鉛化的環(huán)保要求，Sn-Ag-Cu 替代 Pb-Sn 被廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)，然而，在功率模塊應(yīng)用時(shí)，Sn-Ag-Cu 具有如下缺點(diǎn)：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(wú)法滿足SiC 功率模塊的高溫、高可靠發(fā)展趨勢(shì)。

圖 釬焊與銀燒結(jié)對(duì)比

針對(duì)上述問(wèn)題，納米金屬黏結(jié)材料和瞬態(tài)液相黏結(jié)（TLP）材料應(yīng)運(yùn)而生。納米金屬黏結(jié)材料基于納米材料的尺寸效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)低溫黏結(jié)、高溫服役的功能，最常見(jiàn)的是納米銀漿；瞬態(tài)液相黏結(jié)材料在高溫加熱時(shí)形成少量液相，可與母材形成黏結(jié)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(yīng)用的納米銀漿具備優(yōu)異的機(jī)械、熱和抗蠕變性能，但存在高成本、多孔洞、裸銅黏結(jié)困難等缺點(diǎn)。

針對(duì)納米銀漿的高成本問(wèn)題，Zuo等將 20 nm 和 100 nm 的納米銅粉進(jìn)行級(jí)配，制得低成本的納米銅漿，在 250 ℃/4 MPa/20 min 條件下，黏結(jié)界面的剪切強(qiáng)度達(dá)到 15 MPa。針對(duì)納米銀漿的孔洞問(wèn)題，Wei 等在 Ag-Sn 微米級(jí)合金粉中加入有機(jī)添加劑，制得低孔洞 Ag-Sn 黏結(jié)材料，在 300 ℃/20 MPa/30 min條件下，黏結(jié)界面的剪切強(qiáng)度達(dá)到 32 MPa，孔洞率低于4%；并且，經(jīng)過(guò) 2 000 h 高溫貯存后，黏結(jié)界面的剪切強(qiáng)度和孔洞率沒(méi)有明顯變化。針對(duì)納米銀漿裸銅黏結(jié)困難問(wèn)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(jìn)行裸銅黏結(jié)，在 280 ℃/2 MPa/30 min 條件下，黏結(jié)界面的剪切強(qiáng)度達(dá)到 12.72 MPa。

燒結(jié)銀材料相關(guān)廠商有：賀利氏、銦泰、漢高、京瓷、塞拉尼斯、大賽璐、阪東化學(xué)、深圳先進(jìn)連接、芯源新材、先藝電子、無(wú)錫帝科電子、漢源新材等。

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4、互連材料

功率器件頂部電極、導(dǎo)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(dǎo)電性能，且抗疲勞性能優(yōu)異。

隨著 SiC 功率模塊的高頻高速、高可靠應(yīng)用需求，互連材料開(kāi)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(jìn)行互連，但引線鍵合因寄生電感大，容易出現(xiàn)開(kāi)關(guān)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(shì)。事實(shí)上，互連材料本身對(duì)寄生電感的影響不大，但可以采用平面互連等新結(jié)構(gòu)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(jìn)而引發(fā)互連可靠性問(wèn)題。與 Al 材料相比，Cu 互連材料不僅電阻率低、熔點(diǎn)高、載流能力強(qiáng)，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(shí)，Cu 互連材料與新型平面互連結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可大大降低功率模塊的寄生電感。

圖 銅鍵合線/銅帶連接

除此之外，在一些雙面散熱封裝結(jié)構(gòu)中，功率器件的上表面電極還會(huì)通過(guò)墊塊或墊片等與對(duì)面的覆銅板形成電互連。劉文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(yīng)力。

陶瓷覆銅板用銅帶相關(guān)供應(yīng)商有：古河電工、JX金屬、金威銅業(yè)、江西銅業(yè)、中銅華中銅業(yè)、博威合金、中鋁洛陽(yáng)銅加工等。

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5、灌封材料

灌封材料一般為有機(jī)介質(zhì)，通過(guò)灌封工藝填充在上述材料之間，以保護(hù)功率器件、互連材料等脆弱部件免受濕氣或化學(xué)物質(zhì)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。

隨著 SiC 功率模塊的高壓、高溫、高可靠應(yīng)用需求，灌封材料開(kāi)始朝著耐高壓、耐高溫、高強(qiáng)度的方向發(fā)展。功率模塊中常用的灌封材料是環(huán)氧樹(shù)脂和有機(jī)硅材料，其中，環(huán)氧樹(shù)脂存在耐熱性差、脆性大、光照易黃變等問(wèn)題，不符合 SiC 功率的高溫和高可靠發(fā)展趨勢(shì)。而有機(jī)硅凝膠具有高絕緣、耐高溫、耐濕/光性，且楊氏模量小、熱應(yīng)力低的特性，非常適合 SiC 功率模塊的高壓、高溫、高可靠應(yīng)用需求。

圖 有機(jī)硅凝膠 來(lái)源 杰果展臺(tái)

目前有機(jī)硅灌封材料主要從改性角度來(lái)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(jī)硅中引入 B 元素，使其與主鏈中的硅氧鍵共價(jià)結(jié)合， 改善其熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能，熱分解溫度達(dá)到 675 ℃，抗拉強(qiáng)度達(dá)到 4.65 MPa。陳向榮等在有機(jī)硅中引入硅烷偶聯(lián)劑改性納米氮化鋁填料，經(jīng)過(guò) 250 ℃/500 h 老化實(shí)驗(yàn)后，未添加填料的均開(kāi)裂，擊穿場(chǎng)強(qiáng)由 47.27 kV/mm 降至 23.48 kV/mm；添加量 3%的均不開(kāi)裂，擊穿場(chǎng)強(qiáng)由 43.61 kV/mm 提升到 52.02 kV/mm；王鑫等在有機(jī)硅中引入改性氫氧化鈣粉體填料，改善了硅橡膠的機(jī)械性能，抗拉強(qiáng)度由 6.83 MPa 提高到 7.55 MPa。

有機(jī)硅凝膠相關(guān)供應(yīng)商有：日本信越、德國(guó)瓦克、美國(guó)邁圖、陶氏、埃肯有機(jī)硅、廣東杰果、晨日科技、安徽漢碟、長(zhǎng)沙岱華、湖南利德、山東東岳有機(jī)硅、湖北回天新材、杭州之江有機(jī)硅、煙臺(tái)德邦科技、上海拜高高分子、兆舜科技等。

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總結(jié)

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(yīng)用需求，SiC 功率模塊封裝材料在不斷地更新迭代：在陶瓷覆銅基板領(lǐng)域，ZTA 覆銅板和氮化硅覆銅板通過(guò)助燒劑和燒結(jié)工藝優(yōu)化，朝著高強(qiáng)度、高絕緣、高導(dǎo)熱和覆厚銅的方向發(fā)展；在散熱底板領(lǐng)域，鋁碳化硅材料通過(guò)嘗試不同制備方法，朝著高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱、熱膨脹系數(shù)匹配的方向發(fā)展；在黏結(jié)材料領(lǐng)域，納米銅漿和瞬時(shí)液相黏結(jié)材料可彌補(bǔ)納米銀漿的短板，朝著低成本、少孔洞、裸銅黏結(jié)的方向發(fā)展；在互連材料領(lǐng)域，Cu、Mo 等互連材料與新的封裝結(jié)構(gòu)相結(jié)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(lǐng)域，有機(jī)硅通過(guò)主鏈改性、填料改性等方式，朝著耐高壓、耐高溫、高強(qiáng)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(shí)現(xiàn)高性能、規(guī)模化應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：程書(shū)博,張金利,張義政,吳亞光,王 維《SiC 功率模塊封裝材料的研究進(jìn)展》

原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：SiC功率模塊封裝材料發(fā)展趨勢(shì)