翠展微电子TPAK SiC系列解决方案

翠展微电子

GRECONSEMI

随着新能源汽车、光伏等产业的快速发展，加速了第三代半导体器件的实际应用，这对模块封装的可靠性提出了更高的挑战。在IGBT的封装失效模式中，焊料的疲劳与键合线故障导致的失效是器件失效的主要原因。在IGBT多层结构中，芯片下方的散热通道是散热的主要途径，芯片下焊料是其中的重要组成部分，也是最容易发生焊料疲劳退化的位置。

IGBT模块多层结构

传统钎焊料熔点低、导热性差，在工作期间产生的热循环过程中，由于材料间CTE差异，在材料间产生交变的剪切热应力，在应力的连续作用下，容易导致焊料层疲劳老化、产生裂纹，进而发展为材料分层，由于裂纹和分层的产生，焊料层与各层材料间的接触面积减小，热阻变大，加速了焊料层的失效，难以满足车规高功率SiC器件封装的可靠性及其高温应用要求。

芯片下焊料层疲劳

键合线材料的选择上因为铝及其合金价格低、热导率高，25℃时为237（W/mK），铝线键合是目前模块封装中应用最广泛的一种芯片互连技术。但由于铝的热膨胀系数23.2×10-6K-1与硅芯片的热膨胀系数4．1×10-6K-1相差较大，在长时间的功率循环过程中容易产生并积累热应力，引起键合线断裂或键合接触表面脱落，导致模块失效。在电流输出能力要求较高的情况下，芯片表面键合引线的数目过多，会引起较大的杂散电感，同时对电流均流也有一定影响。

键合铝线脱落失效

为解决高功率密度车用模块中芯片下焊料疲劳与键合线故障问题，翠展微电子针对Tpak SiC系列封装提出了一个创新解决方案，银浆烧结+铜Clip方案。芯片与AMB间的连接方式采用银浆烧结，代替传统焊料。银的熔点高达961℃，不会产生熔点小于300℃的软钎焊连接层中出现的典型疲劳效应，大幅提高了模块的功率循环能力。同时芯片上表面用leadframe一体化的铜Clip替代铝线键合，减小了模块内部的杂散电感，提升了芯片表面电流的均流性，增强了模块整体的过流能力。铜比铝更优异的导热能力也提升了模块整体的散热能力。有效的提升了模块整体的出流能力和可靠性。

Tpak结构模型

按照AQG-324标准，获取模块在随机激励条件下的振动频率，研究Clip方案模块被迫抵抗外部随机振动的能力与结构设计合理性。

激励条件（宽带随机激励）

PSD功率密度频谱

仿真结果-应力分布

根据仿真结果，模块整体应力较小，最大应力出现在与塑封体相交的铜排端子处部位，其中最大应力不超38MPa，安全系数取1.35，满足安全使用条件。

仿真结果-疲劳寿命

在对应PSD频谱作用下，模块最易损坏的部分是与塑封相交的铜排端子处部位，与模型的应力分布相吻合，其中模块最低寿命为9.9×104s满足22h要求。

电感部分对模块整体电感进行仿真，仿真结果模块电感4.9nH满足设计要求。

仿真结果-电感

前期验证考虑芯片最大结温是否满足芯片耐受温度。使用软件PLECS，依据数据手册计算相应芯片损耗，根据热仿真结果芯片最高温度小于140℃，满足设计要求。

仿真结果-温度分布

总的来说，翠展微电子Tpak器件系列采用银烧结和Clip技术实现了高可靠性、低热阻、低杂散电感器件设计。银烧结技术使用银浆替代传统焊料，降低模块整体热阻，提高芯片和AMB互连的可靠性，有效增强模块的功率循环能力。Clip技术利用Leadframe一体化的铜排代替键合铝线，可以有效的减小模块内部杂散电感，拥有更高的电流输出能力的同时可以增强芯片的散热，提高模块的可靠性。

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原文标题：翠展微电子TPAK SiC系列解决方案

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