碳化硅（SiC）模塊的封裝技術(shù)是目前電力電子行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn),焊接材料和工藝是影響模塊可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。詳細(xì)分析了當(dāng)前國內(nèi)外業(yè)界已使用或正在研究的焊接材料和工藝,包括應(yīng)用于傳統(tǒng)硅（Si）功率模塊和SiC功率模塊的常規(guī)無鉛釬料、低溫納米銀燒結(jié)、固液互擴(kuò)散連接和納米銅焊膏等。分析了各種工藝的焊接過程、焊層性能及存在的問題,明確了今后SiC功率模塊高溫封裝焊接技術(shù)的發(fā)展方向,即低溫納米銀燒結(jié)技術(shù)和固液互擴(kuò)散技術(shù)將會是SiC功率模塊焊接工藝的優(yōu)選。 

【文章來源】：微納電子技術(shù). 2020,57(02)北大核心

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

SLID工藝形成Cu/Sn/Cu結(jié)構(gòu)的示意圖[2]

TLPS鍵合過程如圖2[9]所示，高熔點(diǎn)金屬和低熔點(diǎn)金屬在加熱后，低熔點(diǎn)金屬先融化并擴(kuò)散，與高熔點(diǎn)金屬形成界面金屬間化合物，實現(xiàn)等溫鍵合，最終形成耐高溫連接層。2017年，日本國家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院F.Kato等人[17]采用CuSn TLPS法對SiC模塊中的SiC MOSFET裸芯片進(jìn)行了焊接研究，焊層在-40～250℃下進(jìn)行1 000次熱循環(huán)實驗后，該3 mm×3 mm的SiC芯片抗剪切強(qiáng)度為40 MPa，說明采用CuSn TLPS方法處理的焊層具有較高的可靠性。焊接的SiC MOSFET尺寸為4.04 mm×6.44 mm，通過瞬態(tài)熱分析法測試其熱阻為0.13 K/W，與采用AuGe焊接的模塊熱阻相當(dāng)（SiC模塊采用AuGe共晶焊料焊接，熱阻為0.12 K/W，熔點(diǎn)為356℃，回流溫度為450℃[18-20]），說明該方法用于焊接高溫SiC電源模塊是可行的。

納米銀燒結(jié)技術(shù)由于納米尺寸效應(yīng)，納米銀材料熔點(diǎn)和燒結(jié)溫度均低于微米銀，連接溫度可低至200℃，輔助壓力可降到1～5 MPa，但連接層仍能保持較高的耐熱溫度和較好的導(dǎo)熱導(dǎo)電能力。圖3[6]為銀燒結(jié)過程中的銀及金屬間化合物的熔化過程工藝示意圖。2018年，C.A.Yang等人[22]分析了采用納米銀燒結(jié)的焊層粘結(jié)和高溫老化后的組織和抗剪切強(qiáng)度，并對比了加In和不加In兩種焊層。結(jié)果顯示Ag/In焊層較Ag焊層孔隙率更低，焊層和基體之間的潤濕性更好，該焊層抗剪切強(qiáng)度大于40 MPa。圖4[22]為Ag和Ag/In兩種焊層在300℃時抗剪切強(qiáng)度隨時間的變化情況，其中在300℃下老化100 h后仍可以承受650℃的高溫，且不會熔融，銅基體也未形成氧化銅層，說明焊層形成了完整的冶金密封，孔隙率低，無氧氣擴(kuò)散到焊層中，也說明Ag/In焊層具有應(yīng)用于高功率、高溫場合的潛力，為大功率模塊芯片的焊接提供了一種可行性方案。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于Cu、Sn預(yù)成型焊片的高溫SiC芯片焊接材料研究[J]. 徐紅艷,周潤暉,寧圃奇,徐菊.  電工電能新技術(shù). 2018(10)
[2]低溫?zé)Y(jié)納米銅焊膏的制備及其連接性能分析[J]. 楊婉春,王帥,祝溫泊,魏軍,李明雨.  焊接學(xué)報. 2018(06)
[3]銀燒結(jié)技術(shù)在功率模塊封裝中的應(yīng)用[J]. 李聰成,滕鶴松,王玉林,徐文輝,牛利剛.  電子工藝技術(shù). 2016(06)



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