SiC模块先进DTS+Cu Bonding工艺，解决车规可靠性最后一块拼图？

时间： 2024-07-23 来源：派恩杰半导体公众号

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派恩杰半导体，中国第三代半导体功率器件的领先品牌，主营碳化硅MOSFET、碳化硅SBD和氮化镓HEMT等功率器件产品。在新能源汽车、光伏储能、白色家电、5G通讯等终端应用的发展下，SiC/GaN等第三代半导体材料水涨船高，成为时下特别火热的发展领域之一。终端应用市场对于高效率、高功率密度、节能省耗的系统设计需求日益增强，与此同时，各国能效标准也不断演进，在此背景下，SiC凭借耐高温、开关更快、导热更好、低阻抗、更稳定等出色特性，正在不同的应用领域发光发热。

特别在新能源汽车领域，随着运行温度和可靠性要求的提高，铝线需要用具有较高导电率的铜线取代。与铝线相比，在半导体器件上与Cu等较硬材料的线键合会产生更多的可靠性隐患。第一个困难是将硬铜键合线弯曲时产生的应力问题，如过小的弧度会导致键合线抬起导致脱落。其次，在铜线键合过程中，键合点处产生隐裂或弹坑，导致固有的损伤或缺陷。

近年来，贺利氏推出的DTS(die Top System)技术有效地解决了硬铜线键合的一些顾虑。它包含了在铜片上的预涂银层，来保护芯片免受相对于铝绑定线而言更高的键合力。它具有较高的可靠性和耐高温性能，能够提供稳定的焊接连接。同时，它将芯片电流产生的热量均匀地分布到整个芯片表面，降低芯片局部温度峰值，改善了电热性能。

新型SiC车规模块常见的有HPD、IPM、TPAK等封装，以应用于电动车逆变器中，很多的动力控制公司和功率模块制造厂商，为了提高可靠性，在汽车模块中均或多或少的采用该技术。DTS技术与银烧结结合应用对其可靠性有巨大的影响，用银烧结剂代替焊料，用DTS烧结和铜线代替顶部铝线，并在芯片表面金属化镀镍钯金，在极端条件下，结温度至少降低了10K，寿命至少增加了10倍。

DTS技术提高功率模块可靠性方面发挥的关键作用

①.保护敏感芯片：DTS技术通过在铜箔上预先涂覆银烧结膏，可以保护敏感半导体芯片的顶部。这有助于避免在铜线键合过程中对芯片造成损坏。

②.热量均匀分布：DTS技术可以使电流通过半导体器件时产生的热量均匀分布在整个芯片表面上，减少局部温度峰值。这有助于提高功率模块的热电行为。

③.降低温度：通过使用DTS技术和银烧结替代传统的焊接和铝线键合，可以降低连接处的温度。这有助于减少模块在极端条件下的温度，从而提高模块的寿命。

④.减少故障机制：DTS系统的应用可以减少焊接接头和铝键合线出现裂纹和退化的故障机制。相比之下，模块配备DTS的银烧结层在芯片背面显示出更少的退化效应。

银烧结技术相较于传统锡基软焊料具有以下优势

①.高温稳定性：银烧结技术在高温环境下具有更高的稳定性。传统的锡基软焊料在高温下会出现机械不稳定性，而银烧结技术能够在更高的温度下保持稳定性。

②.可靠性：银烧结技术提供了更高的可靠性，特别是在要求高温操作的场景下。银烧结接头的熔点通常至少比软焊料高四倍，且在高温环境下运行时不会产生应力或退化。

③.热导率：银具有较高的热导率，使得银烧结接头在热传导方面表现优异。通过在接头中使用薄薄的银层，可以实现理想的堆叠结构，从而降低热阻。

高温下键合技术需要考虑以下几个关键因素？

①.温度稳定性：选择的连接技术必须具有良好的温度稳定性，能够在高温环境下保持连接的可靠性和性能。例如，银烧结技术相对于传统的软焊料在高温下具有更好的稳定性。

②.热导率：连接技术的热导率也是一个重要考虑因素。高热导率的连接技术可以帮助有效地传导热量，减少局部温度峰值，提高系统的热管理性能。

③.材料兼容性：连接技术必须与被连接的材料兼容。例如，对于硬铜线键合到传统的铝金属化表面，需要考虑材料之间的兼容性以避免损坏。

④.可靠性：连接技术必须具有高可靠性，能够在长期高温运行下保持连接的稳定性和性能。通过选择可靠的连接技术可以降低系统故障的风险。

⑤.成本效益：除了技术性能外，成本效益也是一个重要考虑因素。选择适合高温要求的连接技术时，需要综合考虑其性能、可靠性和成本之间的平衡。

DTS技术仍存在的技术挑战

①.界面粘附强度不足：DTS技术中的界面粘附强度可能不足以承受长期的电热应力，导致界面剥离和失效。

②.CTE不匹配问题：不同材料的热膨胀系数(CTE)不匹配可能导致应力集中和裂纹形成，影响模块的可靠性。

③.电流不平衡：不同区域中DTS的退化速率不一致可能导致电流不平衡，进而影响模块的稳定性和可靠性。

DTS技术未来的解决方案

①.优化界面设计：加强DTS技术中各界面的粘附强度，可以通过改进材料选择、表面处理或界面设计来提高界面的稳定性。

②.优化材料选择：选择CTE匹配性更好的材料，或通过调整材料的厚度和性质来减少热应力，提高模块的耐久性。

③.电流均衡设计：设计更均衡的电路结构，确保不同区域中的电流分布更均匀，可以减少电流不平衡带来的问题。

④.工艺改进：完善制造工艺，提高DTS技术的稳定性和可靠性，例如优化焊接工艺、提高材料质量等。

半导体技术的进步，特别是碳化硅，产生了具有高功率密度的器件，并允许器件在明显更高的结温度下运行。互连技术在设备和组件的不间断运行中起着重要的作用。以DTS技术和铜线键合的功率模块，可作为新一代基于碳化硅的高功率模块提供有效的技术支持。

派恩杰致力于碳化硅功率器件国产替代，专注于技术创新和产品研发，就目前存在的技术挑战，派恩杰仍会坚持钻研攻克，完成优化设计，提高产品质量。派恩杰半导体功率模块产品不仅符合车规级标准，产品上车装机量更是突破了100W+，目前，派恩杰半导体在650V、1200V、1700V三个电压平台已发布100余款不同型号的碳化硅二极管、碳化硅MOSFET、碳化硅功率模块和GaN HEMT产品，量产产品已在电动汽车、IT设备电源、光伏逆变器、储能系统、工业应用等领域广泛使用，为各个应用领域头部客户持续稳定供货，且产品质量与供应能力得到客户的广泛认可。未来，我们也希望能够和业内更多同仁进行多方位的技术交流并保持友好合作!

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