基本半導(dǎo)體銅燒結(jié)技術(shù)在碳化硅功率模塊中的應(yīng)用

引言：

隨著新能源汽車產(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載功率模塊封裝技術(shù)帶來(lái)了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。碳化硅憑借其優(yōu)異的材料特性，成為了下一代車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(duì)碳化硅模塊內(nèi)部封裝材料的互連可靠性提出了更高要求，開發(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(tǒng)互連材料的局限

傳統(tǒng)的高溫錫基焊料和銀燒結(jié)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(dǎo)率、電導(dǎo)率偏低，在高溫下存在蠕變失效的風(fēng)險(xiǎn)，在車用碳化硅模塊中的存在感日漸式微。

另一方面，作為當(dāng)下碳化硅模塊的主力封裝材料，銀燒結(jié)工藝日趨成熟。燒結(jié)銀焊點(diǎn)耐高溫、熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率突出，有著優(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題。此外，燒結(jié)銀能夠適配的界面結(jié)構(gòu)種類有限，往往要求在基板表面預(yù)置銀、金等金屬化層，若不預(yù)置金屬化層則可靠性稍受影響。過度復(fù)雜的界面連接結(jié)構(gòu)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(xiǎn)，從而對(duì)器件的長(zhǎng)期可靠性形成威脅。上述局限性驅(qū)動(dòng)著業(yè)界探索新的互連材料和技術(shù)，與燒結(jié)銀幾乎同時(shí)發(fā)展的燒結(jié)銅技術(shù)，在近年來(lái)收獲了日益增加的關(guān)注度。

銅燒結(jié)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

銅材料具有匹敵銀的優(yōu)異導(dǎo)電、導(dǎo)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(shù)更為相近，有望緩解熱循環(huán)和功率循環(huán)狀態(tài)下的熱失配問題。此外，銅燒結(jié)工藝對(duì)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(jié)構(gòu)，從而獲得更高的界面穩(wěn)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(kuò)散、金屬間化合物生成等互連退化現(xiàn)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。

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

基本半導(dǎo)體的先行者姿態(tài)

據(jù)此，基本半導(dǎo)體認(rèn)為，銅燒結(jié)有望成為碳化硅車載功率模塊封裝的理想互連方案。作為國(guó)內(nèi)碳化硅功率器件領(lǐng)域的創(chuàng)新企業(yè)，基本半導(dǎo)體意識(shí)到銅燒結(jié)技術(shù)的潛力，積極與材料供應(yīng)商展開合作，力求將這一前沿技術(shù)率先應(yīng)用于自身產(chǎn)品中。通過與材料業(yè)界的合作伙伴通力協(xié)作，基本半導(dǎo)體在銅燒結(jié)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(jié)技術(shù)在碳化硅車載功率模塊中的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

基本半導(dǎo)體Pcore?6 -汽車級(jí)HPD碳化硅MOSFET模塊

截至目前，基本半導(dǎo)體模塊研發(fā)團(tuán)隊(duì)已對(duì)多款銅燒結(jié)漿料進(jìn)行了選型評(píng)估，印刷、烘烤、貼片、燒結(jié)等工藝環(huán)節(jié)已趨于穩(wěn)定。燒結(jié)后的連接強(qiáng)度達(dá)到80MPa以上，接近銀燒結(jié)漿料的最優(yōu)水平。得益于20MPa以上的超高壓燒結(jié)工藝，孔隙率低至15%以下，多孔狀銅燒結(jié)體性質(zhì)均一，難以觀察到氣孔等缺陷。

（左）三種Cu漿料剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果（現(xiàn)行Ag漿料作為對(duì)比）（右）加壓燒結(jié)銅截面形貌

熱沖擊測(cè)試中，銅燒結(jié)模塊展現(xiàn)了預(yù)期的高可靠性，不僅壽命超過銀燒結(jié)模塊30%，且未觀察到明顯的界面破壞。在功率循環(huán)可靠性測(cè)試中，采用銅漿料的模塊樣品壽命遠(yuǎn)高于銀漿料的模塊。綜合而言，銅燒結(jié)模塊的壽命提升顯著，可靠性指標(biāo)完全能夠滿足車規(guī)級(jí)的嚴(yán)苛要求。

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

結(jié)語(yǔ)

銅燒結(jié)技術(shù)在碳化硅車載功率模塊封裝領(lǐng)域大有可為，基本半導(dǎo)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(dǎo)體將繼續(xù)深化產(chǎn)學(xué)研合作，加速推進(jìn)銅燒結(jié)技術(shù)的成熟和應(yīng)用，為碳化硅車載功率模塊的發(fā)展注入新的動(dòng)力，助力新能源汽車產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)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。