基本半導體銅燒結技術(shù)在碳化硅功率模塊中的應用

引言：

隨著(zhù)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，功率密度的不斷提升與服役條件的日趨苛刻給車(chē)載功率模塊封裝技術(shù)帶來(lái)了更嚴峻的挑戰。碳化硅憑借其優(yōu)異的材料特性，成為了下一代車(chē)載功率芯片的理想選擇。同時(shí)，高溫、高壓、高頻、大電流的工作環(huán)境對碳化硅模塊內部封裝材料的互連可靠性提出了更高要求，開(kāi)發(fā)與碳化硅功率芯片匹配的新型互連材料和工藝亟需同步推進(jìn)。

傳統互連材料的局限

傳統的高溫錫基焊料和銀燒結技術(shù)已在功率模塊行業(yè)中活躍多年，但它們各自存在一定短板。例如，錫基焊料耐高溫性能不足，熱導率、電導率偏低，在高溫下存在蠕變失效的風(fēng)險，在車(chē)用碳化硅模塊中的存在感日漸式微。

另一方面，作為當下碳化硅模塊的主力封裝材料，銀燒結工藝日趨成熟。燒結銀焊點(diǎn)耐高溫、熱導率、電導率突出，有著(zhù)優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，但其成本較高且存在潛在的電遷移問(wèn)題。此外，燒結銀能夠適配的界面結構種類(lèi)有限，往往要求在基板表面預置銀、金等金屬化層，若不預置金屬化層則可靠性稍受影響。過(guò)度復雜的界面連接結構和表面處理工藝不光會(huì )造成成本的上漲，更會(huì )帶來(lái)潛在的界面破壞風(fēng)險，從而對器件的長(cháng)期可靠性形成威脅。上述局限性驅動(dòng)著(zhù)業(yè)界探索新的互連材料和技術(shù)，與燒結銀幾乎同時(shí)發(fā)展的燒結銅技術(shù)，在近年來(lái)收獲了日益增加的關(guān)注度。

銅燒結技術(shù)的優(yōu)勢

銅材料具有匹敵銀的優(yōu)異導電、導熱性能，且比之銀而言，銅材料與碳化硅芯片、陶瓷基板的熱膨脹系數更為相近，有望緩解熱循環(huán)和功率循環(huán)狀態(tài)下的熱失配問(wèn)題。此外，銅燒結工藝對基板表面的金屬化層不敏感，有望極大地簡(jiǎn)化連接界面結構，從而獲得更高的界面穩定性和產(chǎn)品可靠性。同時(shí)，單純的界面組成也能夠最大限度地抑制原子擴散、金屬間化合物生成等互連退化現象，降低界面處的接觸電阻、熱阻，并優(yōu)化電流分布。更重要的是，從原材料價(jià)值角度而言，銅的價(jià)格僅有銀的幾十分之一，理論上具備較低成本。

在過(guò)去的十年間，銅燒結材料雖然與銀燒結材料平行發(fā)展，但其固有的易氧化特性對燒結氣氛和燒結條件要求較高，極大地限制了銅燒結材料的廣泛應用。近年來(lái)，各大材料廠(chǎng)商普遍在銅燒結漿料的制備上取得突破，工藝條件極大緩和，不少商用案例開(kāi)始涌現。同時(shí)，適用于銀燒結工藝的設備也可以很好地兼容高性能銅漿料。此類(lèi)設備隨著(zhù)銀燒結工藝的成熟開(kāi)始成為各大模塊廠(chǎng)商的產(chǎn)線(xiàn)“標配”，又“無(wú)意中”為銅燒結的普及創(chuàng )造了條件。

基本半導體的先行者姿態(tài)

據此，基本半導體認為，銅燒結有望成為碳化硅車(chē)載功率模塊封裝的理想互連方案。作為國內碳化硅功率器件領(lǐng)域的創(chuàng )新企業(yè)，基本半導體意識到銅燒結技術(shù)的潛力，積極與材料供應商展開(kāi)合作，力求將這一前沿技術(shù)率先應用于自身產(chǎn)品中。通過(guò)與材料業(yè)界的合作伙伴通力協(xié)作，基本半導體在銅燒結漿料的選型、互連工藝優(yōu)化等方面取得了一系列進(jìn)展，為銅燒結技術(shù)在碳化硅車(chē)載功率模塊中的產(chǎn)業(yè)化應用奠定了基礎。

基本半導體Pcore?6 -汽車(chē)級HPD碳化硅MOSFET模塊

截至目前，基本半導體模塊研發(fā)團隊已對多款銅燒結漿料進(jìn)行了選型評估，印刷、烘烤、貼片、燒結等工藝環(huán)節已趨于穩定。燒結后的連接強度達到80MPa以上，接近銀燒結漿料的最優(yōu)水平。得益于20MPa以上的超高壓燒結工藝，孔隙率低至15%以下，多孔狀銅燒結體性質(zhì)均一，難以觀(guān)察到氣孔等缺陷。

（左）三種Cu漿料剪切強度測試結果（現行Ag漿料作為對比）（右）加壓燒結銅截面形貌

熱沖擊測試中，銅燒結模塊展現了預期的高可靠性，不僅壽命超過(guò)銀燒結模塊30%，且未觀(guān)察到明顯的界面破壞。在功率循環(huán)可靠性測試中，采用銅漿料的模塊樣品壽命遠高于銀漿料的模塊。綜合而言，銅燒結模塊的壽命提升顯著(zhù)，可靠性指標完全能夠滿(mǎn)足車(chē)規級的嚴苛要求。

基本半導體采用銅燒結技術(shù)的預研產(chǎn)品展現出了優(yōu)異的性能和可靠性，不僅證明了銅燒結技術(shù)的應用價(jià)值，也彰顯了基本半導體作為行業(yè)先驅者的技術(shù)實(shí)力和創(chuàng )新精神。

結語(yǔ)

銅燒結技術(shù)在碳化硅車(chē)載功率模塊封裝領(lǐng)域大有可為，基本半導體將積極推動(dòng)該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，充分發(fā)揮行業(yè)引領(lǐng)作用。未來(lái)，基本半導體將繼續深化產(chǎn)學(xué)研合作，加速推進(jìn)銅燒結技術(shù)的成熟和應用，為碳化硅車(chē)載功率模塊的發(fā)展注入新的動(dòng)力，助力新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)實(shí)現更優(yōu)性能、更高可靠、更低成本，推動(dòng)行業(yè)生態(tài)良性發(fā)展。