【導讀】SiC芯片可以高溫工作
，與之對應的連接材料和封裝材料都需要相應的變更。三菱電機高壓SiC模塊支持175℃工作結溫，其封裝技術相對傳統IGBT模塊封裝技術做了很大改進，本文帶你詳細了解內部的封裝技術。

SiC芯片可以高溫工作，與之對應的連接材料和封裝材料都需要相應的變更。三菱電機高壓SiC模塊支持175℃工作結溫，其封裝技術相對傳統IGBT模塊封裝技術做了很大改進，本文帶你詳細了解內部的封裝技術。

為了實現低碳社會，能夠高效電能變換的電力電子技術正在擴展到消費、工業、電氣化鐵路
、汽車

、太tai陽yang能neng發fa電dian和he風feng力li發fa電dian等deng各ge個ge領ling域yu。其qi中zhong，功gong率lv模mo塊kuai在zai控kong製zhi電dian流liu方fang麵mian發fa揮hui著zhe重zhong要yao作zuo用yong，需xu要yao減jian少shao運yun行xing過guo程cheng中zhong的de損sun耗hao，減jian小xiao封feng裝zhuang尺chi寸cun，並bing提ti高gao功gong率lv密mi度du。近jin年nian來lai備bei受shou關guan注zhu的deSiC（碳化矽）與以往的Si（矽）相比具有高速開關且低損耗的特點，能夠飛躍性地提高性能
，因此被期待為下一代的功率器件。此外
，由於SiC能夠高溫工作，因此可以通過減小封裝尺寸來促進功率單元的小型化

，但為此，需要開發能夠應對高溫工作的封裝材料和結構。

在(zai)封(feng)裝(zhuang)開(kai)發(fa)過(guo)程(cheng)中(zhong)，我(wo)們(men)提(ti)高(gao)了(le)鍵(jian)合(he)材(cai)料(liao)和(he)灌(guan)封(feng)材(cai)料(liao)等(deng)各(ge)部(bu)件(jian)的(de)耐(nai)熱(re)性(xing)，並(bing)開(kai)發(fa)了(le)對(dui)應(ying)的(de)工(gong)藝(yi)技(ji)術(shu)，特(te)別(bie)是(shi)提(ti)高(gao)了(le)對(dui)溫(wen)度(du)循(xun)環(huan)壽(shou)命(ming)有(you)影(ying)響(xiang)的(de)鍵(jian)合(he)部(bu)位(wei)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)
，實(shi)現(xian)了(le)高(gao)質(zhi)量(liang)和(he)高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)。通(tong)過(guo)應(ying)用(yong)這(zhe)些(xie)技(ji)術(shu)，我(wo)們(men)開(kai)發(fa)了(le)一(yi)種(zhong)支(zhi)持(chi)芯(xin)片(pian)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)（Tjop）175℃高溫運行的封裝。

圖1顯示了開發的高溫工作全SiC功率模塊（FMF185/375/750DC-66A）的封裝外觀，圖2顯示了主要結構（示意圖）。作為支持175℃高溫運行的封裝結構，在底板上使用耐高溫焊錫來連接耐高溫絕緣基板，在絕緣基板上使用Ag燒結技術鍵合芯片。芯片上麵的電極和絕緣基板金屬層用Al線連接，與外部電氣連接的電極與絕緣基板金屬層進行US鍵合。外殼安裝在底板上，內部填充了耐高溫灌封材料。

圖1：適用於高溫工作的封裝外觀

當考慮芯片的高溫運行時
，由於傳統焊料在芯片鍵合時的物理限製，因此需要新的鍵合材料和合適的工藝。本公司開發了使用Ag粒子燒結鍵合工藝
，實現了耐高溫、高品質化。

Ag燒結連接工藝進行多個芯片的批量鍵合。因此，在高溫工作封裝中
，相對於以往封裝，芯片尺寸縮小，研究了在4×3的芯片排列中高密度化統一鍵合。圖3顯示了通過Ag燒結進行批量鍵合後的SAT（Scanning Acoustic Tomography）圖像，圖4顯示了鍵合截麵圖像。從SAT圖像和截麵圖像的結果來看，鍵合處沒有空隙或龜裂等，可以確認鍵合狀態良好。因此
，在高溫工作封裝中，通過Ag燒結實現了芯片的高密度化和高質量的鍵合。

圖3：Ag燒結批量鍵合後的SAT圖像

過去一直使用AlN（氮化鋁）陶瓷的絕緣基板，此次研究了采用Si3N4（氮化矽）陶瓷的耐高溫絕緣基板作為新材料。為了評價耐高溫性能，對AlN絕緣基板和Si3N4絕緣基板實施溫度循環試驗，使溫度變化為-40~175℃（ΔT=215K），對陶瓷部分和基板金屬層的鍵合部裂紋變化進行檢測、確認。結果，如圖5所示，AlN絕緣基板的陶瓷部分出現龜裂
，而Si3N4絕緣基板在600個循環後也未發生龜裂，實現了耐高溫、高可靠性。

圖5(a)：溫度循環測試後的絕緣基板截麵圖-AlN基板

連接絕緣基板和底板的焊料必須保持鍵合處無裂紋，以保證對基板的散熱，防止芯片過熱。因此
，我們研究選擇了耐久性、耐熱性的RoHS焊錫材料。對於耐高溫焊料
，在表1所示的混合元素基礎上添加了多種元素，以提高鍵合壽命，使其符合絕緣基板和底板的機械物理性能。使用選定的焊料
，將Si3N4絕緣基板和底板連接起來
，並進行了溫度循環試驗
，其中溫度變化為-40~175℃（ΔT=215K）。結果
，即使在600次循環後，也沒有觀察到鍵合處出現裂紋，並驗證了它可以作為耐高溫焊料使用（圖6）。

表1：耐高溫焊錫材料的主要混合元素和效果

chuantongyongyudianqilianjiedaowaibudedianjishishiyonghanliaojianhedaojueyuanjibanjinshuceng。raner
，suizhegonglvmidudezengjia，youyudianjidianzuchengfenyinqidefarehedianjiyujibanjinshudejianhebufenwendushangshengchengweiwenti，yincixuyaotigaogaowenxunhuanxiadejianheshouming。yinci
，womenliyongUS（超聲波）焊接技術將電極與基板金屬直接鍵合在一起，並通過去除焊料提高了鍵合強度，從而在高溫循環中提高了電極與絕緣基板的鍵合壽命。

為了實現功率模塊的更高工作溫度
，我們不斷開發器件封裝技術。表2顯示了從傳統封裝到高溫運行封裝的技術。除了引進Ag燒結鍵合、耐高溫絕緣基板、耐高溫焊錫材料、電極US鍵合相關技術外
，為支持高溫運行功率模塊的商業化，創新的封裝設計、材料及製造工藝的開發是至關重要的。

今jin後hou，本ben公gong司si將jiang以yi多duo年nian積ji累lei的de功gong率lv模mo塊kuai封feng裝zhuang技ji術shu及ji量liang產chan技ji術shu為wei基ji礎chu
，加jia速su開kai發fa新xin一yi代dai高gao溫wen運yun行xing且qie高gao品pin質zhi的de功gong率lv模mo塊kuai，同tong時shi繼ji續xu推tui進jin商shang業ye化hua，為wei實shi現xian環huan保bao及ji節jie能neng社she會hui做zuo出chu貢gong獻xian。

文章來源：三菱電機半導體

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