碳化硅芯片封裝工藝中那些“難念的經”

平頭叔

2022年10月11日 13:47

功率芯片封裝

封裝，Package。

是把集成電路裝配為最終產品的過程。簡單地說，就是把集成電路裸片（Die）放在一塊起到承載作用的基板上，把管腳引出來，然后固定包裝成為一個整體。

作為動詞，“封裝”強調的是安放、固定、密封、引線的過程和動作；

作為名詞，“封裝”強調其保護芯片、增強電熱性能、方便整機裝配的重要作用，關注封裝的形式、類別，關注基底、外殼、引線的材料。

從“封裝”一詞的釋義中也就看出來，半導體封裝是一門多學科交叉結合的工作。

首先你要搞懂芯片，這個就難退一眾微電子學的畢業(yè)生了。然后你還要掌握熱學、機械、電學、力學、材料等多個學科的知識！這其中，拿材料舉例，封裝材料中又涉及互連材料、襯底材料、熱界面材料、灌封材料等細分產品的知識，不可謂不難！

而碳化硅封裝，又在此基礎上，困難更甚。主要是因為目前我們傳統(tǒng)的功率器件封裝技術都是為 Si 基功率器件設計的，將其用于寬禁帶半導體功率器件時，會在使用頻率、散熱、可靠性等方面帶來新的挑戰(zhàn)，封裝技術正成為寬禁帶功率器件的技術瓶頸。

展開講困難之前，我們先認識下兩種封裝形式

第一種封裝形式，是將晶圓封裝成器件

器件的封裝是把襯底、氧化物、金屬裝在塑料當中，這樣可以保護芯片、增強電熱性能；同時，使用金屬，將源極、漏極、柵極都引出，方便宏觀的接線，方便之后在電路中的使用。

那按照安裝在PCB板上的方式來劃分，器件封裝主要有兩大類：插入式和表面貼裝式。

碳化硅芯片封裝工藝中那些“難念的經”的圖3

插入式封裝形式展示

碳化硅芯片封裝工藝中那些“難念的經”的圖4

表面貼裝式封裝形式展示

舉個例子，泰科天潤已量產TO-220F封裝形式，具體型號包括：

■ 650V 2/3/4/5/6/8/10/20A;

■ 1200V 2//5/10/15A等。

TO-220封裝是一種常規(guī)直插式的封裝形式，區(qū)別是TO-220F是全塑封裝，在上散熱器時不用加絕緣墊；TO-220AC的金屬片與引腳是相連的，如裝散熱器的話要加絕緣墊。

碳化硅芯片封裝工藝中那些“難念的經”的圖5

第二種封裝形式：是將多種器件進一步做成模組（系統(tǒng)）

常見的有三大類：

COB封裝（Chip On Board，板上芯片封裝）是將多種芯片直接裝在基板上，從而成為一個完整的系統(tǒng)；

SIP封裝（System In a Package，系統(tǒng)級封裝），也叫做SOP封裝（System On a Package），是對多種芯片進行并排或疊加后統(tǒng)一封裝，從而成為一個完整的系統(tǒng)；

SOC封裝（System On a Chip，系統(tǒng)級芯片）是將多種功能都集成都一塊芯片上，芯片本身就是一個完整的系統(tǒng)。在芯片制程中就系統(tǒng)化，這樣封裝的就是一個芯片，而不需要大的基板。

碳化硅（SiC）功率模塊封裝技術的新挑戰(zhàn)

引線鍵合和復雜的內部互連結構帶來的問題

引線鍵合和復雜的內部互連結構帶來較大的寄生電容和寄生電感。SiC 功率芯片的開關速度可以更快，因而電壓和電流隨時間的變化率（dv/dt 和di/dt）就更大，這會對驅動電壓的波形帶來過沖和震蕩，會引起開關損耗的增加，嚴重時甚至會引起功率器件的誤開關，因此 SiC 功率器件對寄生電容和寄生電感更加敏感。

傳統(tǒng)Si基功率模塊封裝存在寄生參數過高，散熱效率差的問題，這主要是由于傳統(tǒng)封裝采用了引線鍵合和單邊散熱技術，針對這兩大問題，SiC 功率模塊封裝在結構上采用了無引線互連（wireless interconnection）和雙面散熱（double-side cooling）技術，同時選用了導熱系數更好的襯底材料，并嘗試在模塊結構中集成去耦電容、溫度/電流傳感器以及驅動電路等，研發(fā)出了多種不同的模塊封裝技術。

直接導線鍵合結構（DLB，Direct-LeadBonding）

直接導線鍵合結構如圖 1[3]所示，該結構最大的特點就是利用焊料，將銅導線與芯片表面直接連接在一起，相對引線鍵合技術，該技術使用的銅導線可有效降低寄生電感，同時由于銅導線與芯片表面互連面積大，還可以提高互連可靠性。三菱公司利用該結構開發(fā)的 IGBT 模塊，相比引線鍵合模塊內部電感降低至 57%，內部引線電阻減小一半[4]。

碳化硅芯片封裝工藝中那些“難念的經”的圖8

SKiN 結構

SKiN 結構如圖 2[5]所示，該模塊結構也是一種無引線鍵合的結構，它采用了雙層柔軟的印刷線路板同時用于連接 MOSFET 和用作電流通路，賽米控（SEMIKRON）公司采用該種結構開發(fā)的 1 200 V/ 400 A（8 個 50A SiC MOSFET 芯片并聯）半橋功率模塊的寄生電感小于 1.4 nH。

碳化硅芯片封裝工藝中那些“難念的經”的圖9

賽米控平面互連工藝（SiPLIT）

賽米控平面互連工藝如圖 3[6]所示，該結構在將功率芯片與覆銅陶瓷版連接后，在芯片的正面利用真空層壓工藝制備一層高可靠性的絕緣薄膜，然后在薄膜表面淀積一層 50～200 μm 厚的銅作為互連。與鋁線鍵合工藝相比，由于厚銅與襯底的接觸面積增大，該結構可以降低 20% 的熱阻以及 50% 的寄生電感，并且可以提高功率循環(huán)性能。

碳化硅芯片封裝工藝中那些“難念的經”的圖10

2.5D 和 3D 模塊封裝結構

為進一步降低寄生效應，使用多層襯底的 2.5D 和3D 模塊封裝結構被開發(fā)出來用于功率芯片之間或者功率芯片與驅動電路之間的互連。在 2.5D 結構中，不同的功率芯片被焊接在同一塊襯底上，而芯片間的互連通過增加的一層轉接板中的金屬連線實現，轉接板與功率芯片靠得很近，需要使用耐高溫的材料，低溫共燒陶瓷（LTCC）轉接板常被用于該結構，圖 4[7]為一種 2.5D 模塊封裝結構。

碳化硅芯片封裝工藝中那些“難念的經”的圖11

而在 3D 模塊封裝結構中，兩塊功率芯片或者功率芯片和驅動電路通過金屬通孔或凸塊實現垂直互連，圖 5[8]是一種利用緊壓工藝（Press-Pack）實現的 3D 模塊封裝，這種緊壓工藝采用直接接觸的方式而不是引線鍵合或者焊接方式實現金屬和芯片間的互連，如圖 5 所示，該結構包含3 層導電導熱的平板，平板間放置功率芯片，平板的尺寸由互連的芯片尺寸以及芯片表面需要互連的版圖結構確定，整個結構的厚度一般小于 5 mm。圖示封裝結構有限元模擬的表面結果，其寄生電感僅 0.86 nH。

碳化硅芯片封裝工藝中那些“難念的經”的圖12

圖6[9]是另一種 3D 模塊封裝結構，該結構通過低溫共燒陶瓷工藝，實現了功率芯片和驅動電路的垂直互連，該結構還可以方便地將被動元件集成在低溫共燒陶瓷襯底上。

碳化硅芯片封裝工藝中那些“難念的經”的圖13

功率器件散熱方面高要求帶來的問題

SiC 功率器件在散熱方面具有更高的要求。SiC 器件可以工作在更高的溫度下，在相同功率等級下，其功率模塊較 Si 功率模塊在體積上大幅降低，因此對散熱的要求就更高。如果工作時的溫度過高，不但會引起器件性能的下降，還會因為不同封裝材料的熱膨脹系數（CTE）失配以及界面處存在的熱應力帶來可靠性問題。

傳統(tǒng)的硅基功率模塊工作溫度一般低于 175 ℃，而碳化硅功率模塊會工作在更高的溫度下和更大的電場下，因此對封裝材料在熱電可靠性方面提出了更高的要求。

鍵合引線材料

盡管無引線鍵合可以有效地降低功率模塊的寄生電感，但引線鍵合作為一種工藝成熟、低成本的互連技術仍廣泛應用于功率模塊封裝以及 TO 系列分立器件封裝中。

碳化硅芯片封裝工藝中那些“難念的經”的圖14 互聯材料一覽

近年來，隨著功率器件封裝要求的提高，引線鍵合材料也得到了新的發(fā)展，如大功率器件上的鋁帶鍵合技術實現了對鋁線鍵合技術的替代。

其實“絲”和“帶”是兩種常見并且有鮮明特點的鍵合材料，比較容易選擇，個人認為鍵合帶具有更大的優(yōu)勢。

鍵合帶相比鍵合絲具有更大的優(yōu)勢 ：

·更好的導電性；

·更強的通流能力；

·更高的抗熱疲勞能力；

·更好的抗機械振動能力；

·較低的接觸電阻和寄生電感；

·可實現較低的弧度；

·可縱向疊加增加鋁帶密度；

·可分散芯片表面的鍵合壓力，最大程度保護芯片不受損傷；

鍵合帶相比鍵合絲的不足：

·橫向角度的靈活性較差，只能直線分布；

·受到芯片布局影響；

·相對材料成本較高；

·相對設備配件成本較高；

如果模塊走線基本都是簡單的直線型；芯片的有效鍵合面積內有足夠區(qū)域可以綁定鍵合帶；單顆芯片使用鍵合鋁帶總的載流值大于所使用鍵合絲的最大根數的載流值，可以嘗試使用鋁帶。

銅材料由于其導電導熱性能均優(yōu)于鋁材料，且與硅材料的熱膨脹系數失配小于鋁與硅材料，因此銅替代鋁是封裝互連發(fā)展的趨勢，但是銅替代鋁又存在著材料價格高，生產設備升級等成本因素，因此在現階段用于引線鍵合的鋁銅復合引線或鋁銅復合帶（Ribbon）材料得以發(fā)展，實現了封裝互連材料的一種過渡。

純銅鍵合材料可以說是在鍵合絲和鍵合帶中的“戰(zhàn)斗雞”。

性能優(yōu)勢大家有目共睹，鍵合銅絲在DBC之間的互聯應用也非常多，例如英飛凌工業(yè)模塊已經在IGBT模塊中有大量應用。

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