1. 引言
電力電子技術(shù)的發(fā)展,對功率模塊在提高功率密度、降低損耗、擴展工作溫度范圍及提高使用壽命和可靠性方面提出更高要求。功率模塊中與散熱器之間的連接,直接決定了模塊的散熱效率和長期穩(wěn)定性。傳統(tǒng)錫鉛焊料或無鉛焊料,由于其熔點低、導(dǎo)熱性差。因此,燒結(jié)銀技術(shù)以其優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能及高可靠性,成為功率模塊封裝中的理想選擇,大面積燒結(jié)銀技術(shù),也是最具潛力的解決方案。
本文旨在探討燒結(jié)銀材料在功率模塊至散熱器系統(tǒng)性焊接工藝中的應(yīng)用優(yōu)勢及必要性,介紹焊接基本工藝方法,并分析可能出現(xiàn)的典型問題及其解決方案。
2. 燒結(jié)銀材料的應(yīng)用優(yōu)勢及必要性
2.1 大面積燒結(jié)銀工藝的優(yōu)勢
2.1.1 優(yōu)異的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能
燒結(jié)銀連接層的主要成分為銀,銀作為一種貴金屬,具有極高的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。其導(dǎo)電率僅次于銅,而導(dǎo)熱率則遠高于銅,這使得功率模塊中傳導(dǎo)電流和熱量效率顯著提高,降低芯片溫度,提高模塊的工作效率和可靠性。
有關(guān)于同工況下,使用芯片下及系統(tǒng)級燒結(jié)銀連接方案,將會比單單在芯片下使用燒結(jié)銀方案,系統(tǒng)溫度將下降約10℃。比全軟焊料解決方案下降更多,能達到約20℃的顯著效果。
2.1.2 滿足高功率密度需求
隨著新一代SiC, IGBT芯片功率密度的進一步提高,燒結(jié)銀技術(shù)以其優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能及高可靠性,成為滿足高功率密度需求的關(guān)鍵技術(shù)之一。
2.1.3 高熔點與可靠性
銀的熔點高達961℃,遠高于傳統(tǒng)焊料的熔點。這意味著在高溫環(huán)境下,燒結(jié)銀連接層不易產(chǎn)生熔化或疲勞效應(yīng),具有極高的可靠性。
2.1.4 延長模塊使用壽命
傳統(tǒng)焊料在高溫波動及高功率循環(huán)條件下易產(chǎn)生疲勞效應(yīng),導(dǎo)致連接層失效,從而影響模塊的使用壽命。燒結(jié)銀技術(shù),通過提高連接層的強度和穩(wěn)定性,有效延長了功率模塊的使用壽命。
2.1.5 環(huán)境友好性
燒結(jié)銀技術(shù)不含鉛等有害物質(zhì),屬于環(huán)境友好型材料。
2.2 大面積燒結(jié)銀材料開發(fā)的挑戰(zhàn)
2.2.1 良好的印刷性能,能夠?qū)崿F(xiàn)較好的印刷形狀,平整度等。
2.2.2能實現(xiàn)較低的應(yīng)用參數(shù)條件,溫度,壓力等燒結(jié)條件,控制在較低的水平,以利于平衡其他器件的工藝窗口,實現(xiàn)廣泛的工藝適應(yīng)性。
2.2.3能實現(xiàn)較強的連接可靠性,提高產(chǎn)品性能。
3. 焊接基本工藝方法
3.1大面積燒結(jié)銀材料主要為銀漿(銀膏)類型,適用于印刷、點涂等工藝,可以有效補償因為翹曲變形引起的各種問題。
3.2 焊接工藝流程
大面積燒結(jié)銀焊接,典型工藝流程一般包括以下幾個步驟:涂覆燒結(jié)銀材料、烘干、貼片和燒結(jié)。
3.2.1 涂覆燒結(jié)銀材料
根據(jù)工藝要求將燒結(jié)銀材料涂覆于芯片或散熱器表面,可采用印刷或點涂工藝。印刷工藝通過實驗驗證,推薦的鋼網(wǎng)厚度為400um或以上,因為數(shù)據(jù)顯示,這樣能夠使BLT厚度達到100um以上,而這樣的厚度才能夠保證系統(tǒng)級連接的可靠性和最終模塊產(chǎn)品壽命。
3.2.2 烘干
在燒結(jié)前進行預(yù)熱處理,以去除材料中的水分和揮發(fā)性成分,提高燒結(jié)效果。典型的烘干條件,溫度為140℃及時間20min左右,推薦使用氮氣保護。
3.2.3 貼片
3.2.4有壓燒結(jié)
在設(shè)定的溫度和壓力下對部件進行燒結(jié)處理。燒結(jié)過程中銀顆粒通過原子間的擴散形成致密的連接層。典型燒結(jié)溫度和壓力為:溫度220℃,時間5min,且施加必要的壓力,某些高效燒結(jié)銀材料可能實現(xiàn)空氣下燒結(jié),使燒結(jié)工藝要求進步一降低。
4. 典型問題及解決方案
4.1 高輔助壓力對芯片的損傷
傳統(tǒng)燒結(jié)工藝中,需要較高的輔助壓力以加快燒結(jié)進程,但這可能對芯片造成損傷。推薦選用較低壓力的燒結(jié)銀材料或降低輔助壓力的方法。這里推薦賀利氏最新推出的mAgic PE 350燒結(jié)銀材料,其可以實現(xiàn)最低10mPa 的壓力燒結(jié),幾乎與芯片燒結(jié)水平相當,甚至更低。
另外,PE350還具有良好的印刷性能,其能實現(xiàn)十分規(guī)則的印刷成型,以及光滑的印刷表面。
在可靠性表現(xiàn)上,PE350同樣表現(xiàn)不俗,其燒結(jié)層結(jié)構(gòu)分布均勻,從器件中心切片來看,其孔隙率等表現(xiàn)幾乎與芯片燒結(jié)表現(xiàn)相近。
在某些實際應(yīng)用中,通過了1000圈以上的嚴苛TST 沖擊測試,無明顯開裂失效,令人驚艷。
4.2 燒結(jié)層空洞問題
燒結(jié)過程中可能因材料分布不均、燒結(jié)條件不當?shù)仍?導(dǎo)致燒結(jié)層出現(xiàn)空洞等缺陷。為解決這一問題,需嚴格控制燒結(jié)條件如溫度、壓力和氣氛等,并優(yōu)化燒結(jié)銀材料的配方和工藝參數(shù)。賀利氏電子PE350燒結(jié)銀,在大面積燒結(jié)應(yīng)用上,實現(xiàn)了非常理想的系統(tǒng)焊接表現(xiàn)。
此外,采用先進的檢測設(shè)備,對燒結(jié)層進行質(zhì)量檢測,也是預(yù)防空洞等缺陷的有效手段。
4.3 連接層可靠性問題
連接層的可靠性,直接關(guān)系到功率模塊的使用壽命和性能穩(wěn)定性。為提高連接層的可靠性,可采用雙面燒結(jié)技術(shù)或增加燒結(jié)層厚度等方法。
結(jié)論與展望
燒結(jié)銀技術(shù)作為一種新型的高可靠性連接技術(shù),在功率模塊封裝中具有廣泛的應(yīng)用前景。本文詳細介紹了燒結(jié)銀材料,在功率模塊至散熱器系統(tǒng)性焊接工藝中的應(yīng)用優(yōu)勢及必要性,闡述了焊接基本工藝方法,并分析了可能出現(xiàn)的典型問題及其解決方案。并推薦賀利氏電子PE350大面積燒結(jié)銀材料,其優(yōu)秀的工作性,出色的連接可靠性,正逐漸從市場檢驗中嶄露頭角。未來隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和進步,燒結(jié)銀技術(shù)將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用和推廣,相信賀利氏電子PE350也會有非常廣闊的前景。同時,我們也需要不斷探索和創(chuàng)新燒結(jié)銀材料的配方和工藝條件,以進一步提高其性能和降低成本,滿足市場需求。（作者：賀利氏電子材料有限公司 羅金濤）
作者：羅金濤
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