纳米银烧结技术：SiC半桥模块的性能飞跃

引言

随着电力电子技术的快速发展，碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料，以其优异的物理和化学性能在高压、高频、高温等恶劣环境下展现出巨大的应用潜力。尤其在雷达阵面高功率密度的需求下，SiC宽禁带半导体器件逐步取代传统硅功率器件。然而，SiC功率器件的高结温和高功率特性对封装技术提出了更高的要求。纳米银烧结技术作为一种先进的界面互连技术，以其低温烧结、高温使用的优点和良好的高温工作特性，成为大功率器件封装的首选。本文将详细探讨纳米银双面烧结SiC半桥模块封装技术，包括其原理、工艺步骤、优化方法以及性能测试等。

SiC半桥模块概述

SiC半桥模块是构成逆变电路、脉冲宽度调制（PWM）整流电路、多电平变流器等众多电力电子电路的基本单元。SiC MOSFET半桥模块以其高电压、大电流、低开关损耗和高温稳定性等特点，在电力电子系统中得到广泛应用。为了满足雷达阵面高功率密度的需求，SiC宽禁带半导体器件在电源模块应用中逐步取代传统硅功率器件。然而，传统焊接及导电胶粘工艺存在导电性能差、热阻大、高温蠕变等缺点，无法发挥SiC功率器件的优势。纳米银烧结技术作为一种先进的界面互连技术，成为解决这一问题的有效途径。

纳米银烧结技术原理

纳米银烧结技术利用纳米银颗粒的尺寸效应，在低温下通过施加温度、压力和时间三个驱动力，使银颗粒形成致密的烧结体。这种烧结体具有良好的导电性、导热性和机械强度，能够在高温下保持稳定工作。与传统的焊料合金相比，纳米银烧结技术具有以下优点：

低温烧结高温使用：纳米银烧结可以在较低的温度下进行，但烧结后的连接层可以在高温下保持稳定工作。

高导热性和导电性：纳米银烧结层的热导率和电导率远高于传统焊料，能够显著降低芯片与基板之间的热阻和电阻。

良好的机械强度：纳米银烧结层具有较高的机械强度，能够承受大电流、高电压带来的大功率应用需求。

优异的可靠性：纳米银烧结连接层能够在温度和应力循环过程中保持固相连接层的强度，具有较长的使用寿命。

纳米银双面烧结SiC半桥模块封装工艺流程

纳米银双面烧结SiC半桥模块封装技术主要包括以下几个步骤：

基板预处理：选择氮化铝DBC（直接键合陶瓷）基板作为封装基板，并进行清洗和干燥处理，以去除基板表面的污染物和水分。

纳米银焊膏涂覆：在DBC基板的上表面丝网印刷一层纳米银焊膏，并通过预烘烤去除多余的有机溶剂。这一步骤的关键在于控制纳米银焊膏的涂覆厚度和均匀性，以确保烧结后的连接层质量。

SiC芯片有压烧结：将SiC芯片放置于纳米银焊膏上，并使用烧结压机进行有压辅助烧结。烧结温度、压力和时间等参数需要根据具体工艺进行优化。有压烧结可以提高烧结层的致密度和机械强度。

纳米银无压烧结：在SiC芯片上方，使用点胶机将纳米银无压烧结浆料涂覆在芯片和基板表面，进行无压烧结。无压烧结适用于芯片正面与基板之间的互连，可以避免因压力不均导致的芯片损伤。

栅极引线键合：使用金丝或铝丝将SiC芯片的栅极与基板上的引线进行键合，实现电气互联。

端子焊接与封装：在DBC基板上的外部连接端子使用喷射式点胶的锡银铜无铅焊锡膏进行焊接。最后，使用硅胶将模块进行绝缘封装。

成型焊片设计与制备

成型焊片是纳米银双面烧结SiC半桥模块封装技术中的关键组件。其设计应综合考虑功率器件的焊片尺寸、电流传输特性、最大结温等因素。通过热机应力的仿真及优化，可以得到最佳的成型焊片结构。成型焊片的加工和制备对后续互联的可靠性至关重要，需要对焊片的镀层体系、结构形式、内在应力等展开相关研究。

在成型焊片的设计中，穿孔结构形式被证明是有效的。这种结构不仅可以起到压力释放的作用，还可以作为扩散沟道满足无压力烧结纳米银胶料的氧化需求。通过仿真分析和优化，可以选择合适的焊片厚度，以平衡应力释放和加工变形之间的矛盾。

工艺优化与性能测试

为了优化纳米银双面烧结SiC半桥模块封装技术，需要进行大量的工艺试验和性能测试。以下是一些关键的优化方法和测试内容：

烧结界面微观分析：通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）等手段，对烧结界面进行微观分析，观察烧结层的致密度、孔隙率和元素分布等特性。

芯片剪切强度和焊片剥离强度测试：通过剪切强度和剥离强度测试，评估烧结连接层的机械强度。这些测试对于确保模块在长期使用过程中的可靠性至关重要。

静态测试和双脉冲测试：对封装好的SiC半桥模块进行静态测试和双脉冲测试，评估其电气性能和开关特性。静态测试主要包括栅极泄漏电流、漏极电压等参数的测量；双脉冲测试则用于评估模块的开关切换时间、漏极电压过冲等动态性能。

通过优化烧结工艺参数和测试性能，可以得到满足产品应用需求的SiC半桥模块。例如，某研究团队通过优化纳米银烧结工艺，得到了栅极泄漏电流小于1.5 nA、开关切换时间小于125 ns、漏极电压过冲小于12.5%的SiC半桥模块。

结论与展望

纳米银双面烧结SiC半桥模块封装技术以其低温烧结、高温使用的优点和良好的高温工作特性，成为大功率器件封装的首选。通过优化成型焊片设计、纳米银焊膏涂覆、有压和无压烧结等关键工艺步骤，可以得到具有高可靠性、高性能的SiC半桥模块。

未来，随着纳米银烧结技术的不断发展和成本的降低，其在SiC功率器件封装中的应用将更加广泛。同时，结合先进的集成封装工艺技术，可以进一步提升模块的可靠性、性能和成本效益。此外，还需要对纳米银双面烧结技术在高温环境中长期应用的可靠性、高温银扩展风险等方面开展进一步的研究，以推动其在电力电子领域的广泛应用。

综上所述，纳米银双面烧结SiC半桥模块封装技术是一种具有广阔应用前景的先进封装技术。通过不断优化工艺和性能测试，可以为SiC功率器件在高压、高频、高温等恶劣环境下的应用提供有力支持。