SiC 功率模塊無壓低溫銀燒結雙面冷卻制造工藝

一  SIC封裝創新思路

針對引線封裝存在的可靠性問題，善仁新材創研中心提出平面封裝型SiC電力電子器件封裝策略。 該封裝策略采用引線框架代替傳統的鍵合引線，并通過AS9330納米銀焊膏實現器件與基板和門極/源極引線框架的無壓低溫互連。 低溫無壓銀燒結SiC功率模塊可穩定工作在250 ℃，-55~ 250 ℃的高低溫老化沖擊實驗200個周期沒有發生失效。

在此基礎上，針對SiC電力電子器件高溫 和高頻特性可能帶來的可靠性問題，有學者開展了高散熱雙面冷卻封裝集成策略研究，該封裝設計中高導熱的無氧銅塊代替了傳統的引線互連，并采用無壓銀燒結方法完成雙面冷卻結構模塊的封裝。

這種雙面冷卻封裝結構較大限度地縮短了高溫 SiC 器件的散熱和電氣互連路徑，能夠有效提高模塊的功率集成度的同時減小封裝雜散電感，這有助于充分發揮擁有高功率密度的 SiC 器件的高頻和高溫優勢。 相比Si器件，由于SiC器件有著更高的楊氏模量和工作溫度使得引線鍵合界面更容易發生疲勞失效，而雙面冷卻封裝結構能夠有效的消除引線鍵合界面失效的潛在風險。 然而，由于雙面冷卻封裝中SiC器件兩側均受到基板約束，在服役過程中將承受更大的熱-機械應力。 為減小這種封裝應力，低CTE的鉬片用于補償SiC 基器件源區一側基板引入的高附加應力，低楊氏模量的燒結銀連接界面用于緩沖SiC基器件漏區一側基板給器件帶來的封裝應力。

為了驗證此策略，使用1200V/400A車用SiC功率模塊的低應力封裝工藝，此器件的燒結面積4.4 mm×4.0 mm，鉬片厚度為1.5 mm，氧化鋁襯底基板的厚度為1.2 mm。 兩側基板均采用AS9330低溫無壓銀燒結技術以實現器件和鉬片的互連，燒結后形成器件-基板組件和鉬片-基板組件結構連接，燒結后兩組組件的連接使用傳統的高溫焊料 Pb92.5Sn5Ag2.5。

以上連接工藝均在傳統真空回流爐中完成。相比傳統Si基功率封裝模塊，這種采用AS9330銀燒結的SiC功率模塊的熱阻降低了40%，體積減小50%。由于燒結過程大面積基板的翹曲問題，SiC 基器件的源區焊接面并沒有使用銀燒結，考慮到器件源區連接界面較接近SiC器件的結溫，該界面處可能更容易發生失效，所以采用對低壓輔助燒結或借助適當治具有助于增加該界面的穩定性，進而實現一次全銀燒結。

二 雙面冷卻 SiC 功率模塊的制造工藝

1印刷銀焊膏

2貼片

3燒結銀焊膏

4引線鍵合

5端子焊接

6放置焊片

7真空回流焊接

8塑封