功率模塊已經(jīng)在家用電器、工業(yè)、汽車、鐵路等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，不同應(yīng)用領(lǐng)域要求功率模塊具有更長(zhǎng)的使用壽命、更緊湊的尺寸或更高的功率密度。在開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，選擇有利于上述性能的關(guān)鍵布線材料或方案是成功的主要因素, 如采用最近開發(fā)的Al合金線、Al-Cu包層線和Cu線等新型綁定線材料以提高模塊壽命和功率密度。三菱電機(jī)開發(fā)了DLB技術(shù)來替代楔形線綁定技術(shù)，通過將主端子直接連接到電極，從而實(shí)現(xiàn)了高緊湊性和高可靠性，本文將對(duì)面向于下一代產(chǎn)品并專注于布線技術(shù)的封裝技術(shù)進(jìn)行介紹。

為防止焊接層退化，如第3.1節(jié)所述，我們根據(jù)壓注模封裝功率模塊(T-PM)相關(guān)開發(fā)理論，將封裝材料中的硅凝膠改為硬質(zhì)樹脂，再封裝成盒式模塊，圖1和圖2分別給出了三菱電機(jī)傳統(tǒng)盒式封裝IGBT模塊和第7代NX系列IGBT模塊的橫截面圖。通過快速熱循環(huán)測(cè)試評(píng)估了硬質(zhì)樹脂封裝對(duì)芯片下方焊接層的影響。

圖3所示測(cè)試樣品的結(jié)構(gòu)中包括半導(dǎo)體芯片、Cu基板及這兩個(gè)部分的相關(guān)焊接層。快速熱循環(huán)測(cè)試的溫度波動(dòng)范圍為+85↔+175℃。該實(shí)驗(yàn)可等效于功率循環(huán)測(cè)試的應(yīng)變并可以模擬功率循環(huán)測(cè)試而無需半導(dǎo)體芯片動(dòng)作。快速熱循環(huán)測(cè)試完成后，對(duì)芯片貼裝焊接層進(jìn)行聲波斷層掃描(SAT：Scanning Acoustic Tomography)的結(jié)果如圖4所示。

與無密封的樣品相比，采用樹脂密封后的樣品能夠有效防止裂縫擴(kuò)展。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過將硅凝膠改為硬質(zhì)樹脂可以緩解半導(dǎo)體芯片拐角周圍的熱應(yīng)變，因此可以防止焊接層退化并提高Al綁定線的疲勞壽命。此外，使用絕緣金屬基板(IMB：Insulated Metal Baseplate)可以減少基板之間的焊接層數(shù)量，從而最大程度地降低熱阻的惡化。

與Al線相比，具有較高機(jī)械強(qiáng)度的Al合金線有望改善引線綁定結(jié)的疲勞壽命。表1中列出了用于快速熱循環(huán)測(cè)試(+50↔ +150℃)的綁定線和電極材料組合，以評(píng)估應(yīng)用Al合金線改善疲勞壽命的效果。

用于該測(cè)試的樣品內(nèi)置了陶瓷基板、通過焊料附著在基板上的半導(dǎo)體芯片以及粘結(jié)在半導(dǎo)體芯片和基板上的Al或Al合金線。快速熱循環(huán)試驗(yàn)后每個(gè)樣品的剪切強(qiáng)度的相對(duì)退化率如圖5所示。

測(cè)試結(jié)果表明，僅將Al合金線應(yīng)用于當(dāng)前結(jié)構(gòu)并不能很好地防止裂縫擴(kuò)展到引線綁定結(jié)。圖6給出了快速熱循環(huán)測(cè)試后，引線綁定結(jié)處的截面放大后的掃描電子顯微鏡(SEM：Scanning Electron Microscope)圖像。

相比于樣品A，樣品B中的裂縫選擇性地分布在芯片表面材料中。在樣品B中，由于其導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度較高，楊氏模量與芯片表面材料的差異較大，導(dǎo)致芯片表面材料處應(yīng)變集中增加并加速裂縫擴(kuò)展。樣品C通過采用具有較高機(jī)械強(qiáng)度的增強(qiáng)型線材料來替代傳統(tǒng)Al線，能夠有效緩解芯片表面材料處的應(yīng)變集中。將Al合金線材與增強(qiáng)型芯片表面材料結(jié)合使用可有助于改善引線綁定結(jié)的疲勞壽命。

與Al線相比，Cu線具有更高的重結(jié)晶溫度及熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體芯片的更接近等特點(diǎn)，能夠有效改善功率模塊壽命。此外其更高的電導(dǎo)率能夠提高功率密度或減少綁定線數(shù)量。但是將Cu線直接與Al電極接合具有一定難度，因此采用額外的厚金屬涂層作為電極或在電極上附著緩沖層是Cu線綁定中的常規(guī)方法。圖7給出了使用Cu線進(jìn)行功率循環(huán)測(cè)試(+85↔+ 200°C)樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

應(yīng)用Ag燒結(jié)技術(shù)對(duì)圖1中傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行芯片貼裝以防止芯片和基板之間的焊接層脫落，同時(shí)在半導(dǎo)體芯片電極上涂有較厚的電鍍金屬層。在參考樣品中，Al線綁定在常規(guī)Al電極上。通過對(duì)2個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，使用Cu線綁定的模塊比用Al線綁定模塊的PC壽命提高37倍，如圖8所示。

如上所述，在使用Cu線時(shí)有必要在半導(dǎo)體芯片上采用厚金屬化或緩沖層之類的保護(hù)結(jié)構(gòu)。此外，通過應(yīng)用Cu線顯著改善引線綁定結(jié)的疲勞壽命有時(shí)會(huì)導(dǎo)致其他關(guān)鍵失效模式[2]，因此為了實(shí)現(xiàn)充分利用Cu線的優(yōu)異性能，僅僅只是采用Cu線是不夠的，還需要對(duì)整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。
 

如圖9所示[3]，我們首先將DLB技術(shù)應(yīng)用于壓注模封裝功率模塊J系列T-PM的設(shè)計(jì)中。壓注模封裝模塊采用DLB結(jié)構(gòu)能夠有效提高可靠性，這得益于其與芯片連接面積加大且壓注樹脂能夠有效降低焊接層上的應(yīng)變集中。

Al引線綁定模塊和DLB T-PM之間的功率循環(huán)(PC：Power Cycling)壽命比較結(jié)果如圖10所示，其中DLB T-PM可以將PC壽命提高到Al引線綁定型T-PM的10倍以上。仿真結(jié)果再次確認(rèn)了大面積焊接連接使芯片表面溫度均勻分布，而在芯片內(nèi)部沒有出現(xiàn)任何電流集中，如圖11所示。溫度均勻性除了能夠提高使用壽命外，還有助于增加電流密度，DLB可以減小基板上引線綁定面積來進(jìn)一步縮小封裝尺寸。

通過將DLB技術(shù)應(yīng)用于盒式封裝模塊，三菱電機(jī)已經(jīng)開發(fā)出了用于電動(dòng)汽車的J1系列IGBT模塊，如圖12所示[4]。

為了成功將DLB技術(shù)應(yīng)用于盒式功率模塊，我們同時(shí)也開發(fā)了DLB和環(huán)氧樹脂結(jié)合的封裝組合。在DLB結(jié)構(gòu)中，控制連接部分上的焊料形狀是有效提高壽命效果的重要因素之一。但是將DLB技術(shù)應(yīng)用于大型盒式模塊中時(shí)，由基板翹曲導(dǎo)致的主端子與芯片表面之間的間隙距離成為問題。

另外，從固定端到主端子前端連接部位的距離變長(zhǎng)，間隙的偏差也變大。在主端子上形成通孔對(duì)于控制焊料形狀和穩(wěn)定可靠性十分有效，具體如圖13所示。在間隙狹窄的情況下，焊料會(huì)擴(kuò)散到通孔中以防止熔融焊料從芯片電極的邊緣溢出。在另一種間隙較寬的情況下將自動(dòng)調(diào)整通孔處的焊料形狀，以充分確保焊料覆蓋所需區(qū)域。

如圖14所示，通過不斷地發(fā)展當(dāng)前DLB技術(shù)已經(jīng)可以做到主功率板直接綁定[5]，其中功率板與半導(dǎo)體芯片電極直接連接且在其絕緣層正面和背面都設(shè)有較厚導(dǎo)電層。這類功率板設(shè)計(jì)為能夠在單板中實(shí)現(xiàn)主功率布線和信號(hào)布線。通過使用多層功率板可以進(jìn)一步縮小功率模塊體積。通過設(shè)計(jì)圖像布局，不僅可以利用正面層和背面層之間的互感來減小寄生電感，還可以降低并聯(lián)芯片中的電流不平衡性和開關(guān)時(shí)間延遲，且這種新型3D互連設(shè)計(jì)可以應(yīng)對(duì)未來的復(fù)雜拓?fù)洹?/span>

全新布線技術(shù)已成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)功率模塊可靠性和小型化的改進(jìn)，Al線與樹脂封裝、Al合金線和具有較高機(jī)械強(qiáng)度的增強(qiáng)型電極相結(jié)合可以有效提升功率模塊使用壽命。為了利用具有更高可靠性的Cu線，必須考慮整體封裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)，其中應(yīng)用具有最佳焊料形狀的DLB技術(shù)，不僅可以提高可靠性，還可以改善大型盒式封裝模塊的電氣特性。布線技術(shù)的不斷發(fā)展有助于實(shí)現(xiàn)針對(duì)廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的新型功率模塊。