SiC 功率模块无压低温银烧结双面冷却制造工艺

 SiC 功率模块无压低温银烧结双面冷却制造工艺

一  SIC封装创新思路

针对引线封装存在的可靠性问题，善仁新材创研中心提出平面封装型SiC电力电子器件封装策略。 该封装策略采用引线框架代替传统的键合引线，并通过AS9330纳米银焊膏实现器件与基板和门极/源极引线框架的无压低温互连。 低温无压银烧结SiC功率模块可稳定工作在250 ℃，-55~ 250 ℃的高低温老化冲击实验200个周期没有发生失效。

在此基础上，针对SiC电力电子器件高温 和高频特性可能带来的可靠性问题，有学者开展了高散热双面冷却封装集成策略研究，该封装设计中高导热的无氧铜块代替了传统的引线互连，并采用无压银烧结方法完成双面冷却结构模块的封装。

这种双面冷却封装结构较大限度地缩短了高温 SiC 器件的散热和电气互连路径，能够有效提高模块的功率集成度的同时减小封装杂散电感，这有助于充分发挥拥有高功率密度的 SiC 器件的高频和高温优势。 相比Si器件，由于SiC器件有着更高的杨氏模量和工作温度使得引线键合界面更容易发生疲劳失效，而双面冷却封装结构能够有效的消除引线键合界面失效的潜在风险。 然而，由于双面冷却封装中SiC器件两侧均受到基板约束，在服役过程中将承受更大的热-机械应力。 为减小这种封装应力，低CTE的钼片用于补偿SiC 基器件源区一侧基板引入的高附加应力，低杨氏模量的烧结银连接界面用于缓冲SiC基器件漏区一侧基板给器件带来的封装应力。

为了验证此策略，使用1200V/400A车用SiC功率模块的低应力封装工艺，此器件的烧结面积4.4 mm×4.0 mm，钼片厚度为1.5 mm，氧化铝衬底基板的厚度为1.2 mm。 两侧基板均采用AS9330低温无压银烧结技术以实现器件和钼片的互连，烧结后形成器件-基板组件和钼片-基板组件结构连接，烧结后两组组件的连接使用传统的高温焊料 Pb92.5Sn5Ag2.5。

以上连接工艺均在传统真空回流炉中完成。相比传统Si基功率封装模块，这种采用AS9330银烧结的SiC功率模块的热阻降低了40%，体积减小50%。由于烧结过程大面积基板的翘曲问题，SiC 基器件的源区焊接面并没有使用银烧结，考虑到器件源区连接界面较接近SiC器件的结温，该界面处可能更容易发生失效，所以采用对低压辅助烧结或借助适当治具有助于增加该界面的稳定性，进而实现一次全银烧结。

二 双面冷却 SiC 功率模块的制造工艺

1印刷银焊膏

2贴片

3烧结银焊膏

4引线键合

5端子焊接

6放置焊片

7真空回流焊接

8塑封