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摘要

功率模塊的封裝具有保護(hù)半導(dǎo)體和布線材料免收熱沖擊、物理撞擊和外部異物侵?jǐn)_的作用，以確保絕緣。近來(lái)，由于對(duì)功率模塊實(shí)現(xiàn)更高電流密度和更高工作溫度的要求，因此封裝材料和工藝也需要進(jìn)行改善。本文報(bào)告了關(guān)于高溫工作和高電流密度的封裝技術(shù)的最新研發(fā)結(jié)果。

概述

功率模塊包含連接材料、線材、絕緣基板、封裝材料以及外殼等。由于諸如封裝和外殼等有機(jī)材料會(huì)發(fā)生熱降解，特別是直接覆蓋在高溫運(yùn)行著的半導(dǎo)體上的封裝材料。因此，封裝技術(shù)的創(chuàng)新對(duì)于功率模塊是至關(guān)重要的需求。為了能在高溫下工作，功率模塊的新結(jié)構(gòu)被開(kāi)發(fā)出來(lái)。在目前的功率模塊中，鋁線用于連接半導(dǎo)體和電路基板�，F(xiàn)在，金屬引腳鍵合取代了引線鍵合，這樣可在更小的空間內(nèi)承載更高的電流。使用金屬引腳的新型結(jié)構(gòu)占用更小的封裝材料流動(dòng)空間，但在無(wú)空洞地填充功率模塊上還存在一些難點(diǎn)。

封裝技術(shù)

2.1 封裝材料

環(huán)氧樹(shù)脂被普遍應(yīng)用于功率模塊的封裝材料。易應(yīng)用于常規(guī)結(jié)構(gòu)模塊的灌封環(huán)氧樹(shù)脂，與固化劑如羧酸酐發(fā)生反應(yīng)，其比酚固化或胺固化的環(huán)氧樹(shù)脂更容易發(fā)生熱降解和氧化降解。本文重點(diǎn)關(guān)注羧酸酐固化的環(huán)氧樹(shù)脂。

在開(kāi)發(fā)封裝材料時(shí)，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，它會(huì)極大地改變材料的物理特性。由于物理特性的差異，熱膨脹系數(shù)(CTE)和彈性模量對(duì)于考慮作用于粘附面的應(yīng)力也很重要。這些特性被用來(lái)計(jì)算功率模塊里的應(yīng)力并預(yù)測(cè)退化，但由于缺少另一個(gè)重要的特性——粘度，仿真結(jié)果與真實(shí)結(jié)果之間經(jīng)常存在差異。樹(shù)脂的粘度由環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑、填料和一些添加劑等成分的大小和組成比率所決定。如果環(huán)氧樹(shù)脂的粘度較高，則在靠近導(dǎo)線的鍵合部位會(huì)出現(xiàn)沒(méi)有填充樹(shù)脂的微小空隙。因此，在應(yīng)力計(jì)算中需要對(duì)材料之間的應(yīng)力與粘合強(qiáng)度進(jìn)行比較。這些小的空間會(huì)影響應(yīng)力分布，導(dǎo)致產(chǎn)生諸如裂紋和分層等劣化現(xiàn)象。綜上，消除未填充區(qū)域與開(kāi)發(fā)具有更高粘合強(qiáng)度的樹(shù)脂是一樣重要的。

圖1為不同粘度環(huán)氧樹(shù)脂填充的引線鍵合點(diǎn)附近的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂粘度高時(shí)，鍵合點(diǎn)之下尚有未填充的空間。而當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂的粘度低時(shí)，即使很小的空間都可以被填充到。較高的工作溫度需要環(huán)氧樹(shù)脂具有較高的Tg，這導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂的交聯(lián)密度較高、分子量較大。另外，由于環(huán)氧樹(shù)脂剛性大，因此添加橡膠材料以降低模量。幾乎所有對(duì)高Tg的改進(jìn)都使樹(shù)脂具有更高的粘度。通過(guò)優(yōu)化樹(shù)脂中包含成分的組成比，新型樹(shù)脂具有足夠低的粘度以達(dá)到無(wú)空洞封裝的目的。

圖1 鍵合線下填充的環(huán)氧樹(shù)脂的SEM圖像

此外，新型樹(shù)脂不僅具有低粘度而且還具有耐熱性。圖2顯示了常規(guī)環(huán)氧樹(shù)脂A、B和新型樹(shù)脂C在200℃下儲(chǔ)存時(shí)的重量損失。這些樹(shù)脂的各項(xiàng)性能見(jiàn)表1。環(huán)氧樹(shù)脂A、B和C在酸酐和添加劑A的規(guī)格上有所不同。添加劑A是低應(yīng)力劑。

高溫老化中的重量損失主要是由環(huán)氧樹(shù)脂、酸酐和添加劑等有機(jī)材料的熱氧化降解造成的。新型樹(shù)脂C中的添加劑具有高耐熱性，在225℃下1000小時(shí)的重量損失只有傳統(tǒng)樹(shù)脂B的1/10。

圖3顯示了新型樹(shù)脂在225℃老化1000小時(shí)后的動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（DMA）表現(xiàn)。即使在高溫下老化后，環(huán)氧樹(shù)脂的Tg和外觀仍保持不變。耐熱性有助于保持功率模塊的絕緣。在高溫下，樹(shù)脂表面發(fā)生熱氧化降解，而樹(shù)脂內(nèi)部不易氧化。其結(jié)果是，樹(shù)脂的表面和內(nèi)部之間存在物理性質(zhì)的差異，從而導(dǎo)致翹曲變形。當(dāng)應(yīng)力發(fā)生在絕緣基板上時(shí)，則降低絕緣壽命。

表1 環(huán)氧樹(shù)脂成分和特性的比較

圖2 環(huán)氧樹(shù)脂在200℃存儲(chǔ)的重量損失

圖3 新型樹(shù)脂在225℃、1000小時(shí)老化后的DMA表現(xiàn)

圖4為功率模塊基板在225℃高溫老化試驗(yàn)中的翹曲變化情況。新型樹(shù)脂C具有較少的重量損失并能抵抗高溫老化下的物理性能轉(zhuǎn)變。這種耐熱性使得功率模塊的翹曲變化很小。樹(shù)脂C在225℃高溫老化1000小時(shí)后的翹曲變化，降低至常規(guī)樹(shù)脂B的70%。封裝了新型樹(shù)脂的功率模塊在225℃熱老化1000小時(shí)后保持了外觀和電絕緣性不變。新型樹(shù)脂具有低粘度和高耐熱性的特點(diǎn)，更適應(yīng)于在高溫下工作。

圖4 功率模塊在225℃高溫老化時(shí)的翹曲變形

2.2 封裝工藝

封裝工藝也是決定功率模塊可靠性的重要因素�；宓穆N曲受固化收縮和環(huán)氧樹(shù)脂的 CTE影響。過(guò)去，基板的翹曲通過(guò)評(píng)估封裝的功率模塊來(lái)近似估計(jì)，但翹曲僅可以通過(guò)測(cè)量環(huán)氧樹(shù)脂的膨脹和收縮行為來(lái)預(yù)測(cè)。

圖5 固化環(huán)氧樹(shù)脂的TMA行為

圖5通過(guò)熱機(jī)械分析(TMA)顯示了環(huán)氧樹(shù)脂的行為。在該分析中，溫度分三步變化，(1) 從第一個(gè)固化點(diǎn)T1上升到第二個(gè)固化點(diǎn)T2，(2)保持在T2，(3)下降到室溫以模擬環(huán)氧樹(shù)脂的固化條件。在這些溫度變化期間，環(huán)氧樹(shù)脂的尺寸分三步變化，(i)在保持低Tg的情況下膨脹，(ii)在T2固化收縮，(iii)CTE收縮以響應(yīng)溫度下降。TMA分析對(duì)預(yù)測(cè)基板的翹曲非常有用。實(shí)用該方法無(wú)需多次實(shí)驗(yàn)即可優(yōu)化環(huán)氧樹(shù)脂的固化過(guò)程。

即將到來(lái)的結(jié)構(gòu)

對(duì)于高溫工作，導(dǎo)電電路需要承載大電流，因此提出了使用金屬引腳的新電路結(jié)構(gòu)，例如直接引腳鍵合(DLB)和功率直連板(PDB)。圖6顯示了一個(gè)使用PDB結(jié)構(gòu)的例子。PDB正反兩面的銅回路具有足夠的電氣容量足以流過(guò)較大的電流，因此其正反面均被設(shè)計(jì)為內(nèi)部電路連接，這比DLB技術(shù)具有更緊湊的占位面積。此外，PDB結(jié)構(gòu)有更低的封裝雜散電感和魯棒性，達(dá)到市場(chǎng)需求。然而，在這種結(jié)構(gòu)下，PDB與絕緣金屬基板之間存在300-500μm的間隙，使得環(huán)氧樹(shù)脂難以充分填充。為了在狹窄的間隙中填充封裝材料，應(yīng)考慮材料和灌注工藝。在灌注工藝的改進(jìn)過(guò)程中，進(jìn)行了多次的產(chǎn)品評(píng)估；不過(guò)由于PDB結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，很難找到空洞。為了找到無(wú)空洞填充此類(lèi)空間的工藝，使用了先進(jìn)的流動(dòng)仿真來(lái)模擬。

圖6 結(jié)構(gòu)剖面（a）傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)（b）PDB結(jié)構(gòu)

圖7顯示了不同粘度的環(huán)氧樹(shù)脂在PDB結(jié)構(gòu)中的流動(dòng)仿真結(jié)果。注入高粘度樹(shù)脂時(shí)，產(chǎn)品邊緣會(huì)出現(xiàn)未填充點(diǎn)。而在注入低粘度樹(shù)脂時(shí)則沒(méi)有空洞。環(huán)氧樹(shù)脂的粘度也是小空間封裝的關(guān)鍵特性。

圖7 PDB結(jié)構(gòu)中不同粘度的環(huán)氧樹(shù)脂流動(dòng)仿真的比較

圖8顯示了相同結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹(shù)脂在0.5至4g/sec不同注入速度下的流動(dòng)仿真結(jié)果。雖然注入的節(jié)拍時(shí)間不同，但注入速度不影響樹(shù)脂流動(dòng)。

圖8 PDB結(jié)構(gòu)中不同注入速度的環(huán)氧樹(shù)脂流動(dòng)仿真的比較

通過(guò)注入評(píng)估確認(rèn)了流動(dòng)仿真的結(jié)果。將新型樹(shù)脂C注入模擬結(jié)構(gòu)，研磨固化物后計(jì)算空洞數(shù)。圖9表示樹(shù)脂溫度與空洞數(shù)的相關(guān)性。樹(shù)脂溫度與樹(shù)脂的粘度有關(guān)，其結(jié)果與解釋粘度影響的流動(dòng)仿真結(jié)果相符。流動(dòng)仿真有助于縮短新結(jié)構(gòu)封裝工藝的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

圖9 樹(shù)脂溫度和空洞個(gè)數(shù)的相關(guān)性

結(jié)論

我們發(fā)現(xiàn)封裝材料的粘度會(huì)影響綁定線下小空間中樹(shù)脂的填充，并開(kāi)發(fā)了一種低粘度和高耐熱性的新型環(huán)氧樹(shù)脂。此樹(shù)脂在高溫儲(chǔ)存后重量損失小，物理特性變化小。以此環(huán)氧樹(shù)脂封裝的功率模塊在225℃老化1000小時(shí)后，外觀和電絕緣特性均無(wú)變化。利用TMA分析來(lái)預(yù)測(cè)基板的翹曲。對(duì)于高溫工作，提出了使用金屬引腳如直接引腳鍵合(DLB)和功率直連板(PDB)的新電路結(jié)構(gòu)。先進(jìn)的流動(dòng)仿真有助于縮短新結(jié)構(gòu)封裝工藝的開(kāi)發(fā)。粘度對(duì)于PDB結(jié)構(gòu)中的環(huán)氧樹(shù)脂填充也很重要。

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高溫工作功率模塊的環(huán)氧樹(shù)脂封裝技術(shù)

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