国产精品久久一区二区三区

<xmp id="smch0"><button id="smch0"><ins id="smch0"></ins></button><form id="smch0"></form><ins id="smch0"><button id="smch0"></button></ins>
<xmp id="smch0">
<form id="smch0"></form>
<xmp id="smch0">
<form id="smch0"></form>
<form id="smch0"><button id="smch0"><button id="smch0"></button></button></form><form id="smch0"><form id="smch0"></form></form>
<form id="smch0"></form>
<xmp id="smch0"><form id="smch0"><button id="smch0"></button></form>
<xmp id="smch0"><form id="smch0"><button id="smch0"></button></form>
<xmp id="smch0">
<form id="smch0"></form>
<xmp id="smch0">
<form id="smch0"></form>
<form id="smch0"></form>
<form id="smch0"></form><form id="smch0"></form>
<xmp id="smch0"><xmp id="smch0">
<form id="smch0"></form>
<xmp id="smch0">
<xmp id="smch0">
<xmp id="smch0"><button id="smch0"><button id="smch0"></button></button>
<form id="smch0"></form><xmp id="smch0">
<form id="smch0"></form><ins id="smch0"></ins>

功率半導體器件封裝可靠性提升研究進展

今天匯報的題目是功率模塊封裝連接可靠性提升研究。我叫梅云輝,來自天津大學。今天我們主要分享兩部分的內容。第一個是抗溫度沖擊老化能力提升。第二是抗功率循環老化能力提升。為什么會分享這兩個話題呢,是因為對于功率模塊來說,這兩點是重要評價功率模塊抗老化能力的指標。所以呢,對于功率器件,第三代半導體器件的發展,以碳化硅為代表的高性能器件的出現,使得功率密度不斷提升,應用頻率不斷提升,都會帶來熱的沖擊,進一步加劇了器件老化的速率。因此,我們需要在這一方面進行有力的探討。

先簡單介紹一下新能源汽車產業的發展,包括電動汽車、軌道交通。新能源汽車不僅包括電動汽車,還包括氫燃料汽車。還有航空航天、風力發電等越來越多新能源的形式應用到傳統產業當中。這些新能源的形式都會需要用到電力電子技術,來實現將其他的能量轉換為電能,或是把電能轉換為其他形式的方式。功率模塊能否可靠穩定的工作,直接影響到整個電力轉換裝置的可靠運行。功率模塊的可靠性必須得到保證和提高。

關鍵的第一個問題,我們看這幅圖。這是一個典型的IGBT模塊的截面圖,大家可以看到IGBT模塊和二級管芯片,包括幾個連接的部位,一個是芯片與基板的連接,基板與底板之間的補充的連接,來進行一個有效的散熱通道的建立。在這兩個連接當中,我們討論比較多的一般是第一層芯片的連接,因為它對于芯片的散熱是至關重要的。但是對于基板和底板的連接同樣的重要。這是因為大面積基板與底板的連接更容易發生失效。為什么呢?這是因為回流焊?;亓骱傅墓に囃ㄟ^熔化焊點的實現。焊點的熔化,比如把芯片與基板的連接通過熔點回流工藝,使它熔化,并且凝固,形成連接。我們再時行二次基板與底板連接時,就需要去降低回流焊的溫度,來防止芯片與基板的第一次的焊點連接發生焊料的重熔。這些焊料的熔合會導致焊料變得更加的脆,易失效,這是不允許的,同時還會導致芯片的移位等等。因此,通常會選取熔點更低的焊料,比如SnAg3.0Cu0.5是比較常的焊料。

同時又伴隨著基板連接著焊料熔點不僅低,而且面積又大,因此在長期高溫,并且伴有耦合震動的工況下,比如像汽車等復雜的工況下工作的時候,極易出現高溫疲勞蠕變而失效,導致基板與底板的大面積連接更易發生失效。

我們列出一些典型的IGBT模塊顯示出來基板與底板封裝失效。大家可以看到,在這樣大面積的一個底板上面有貼半條形式的兩塊DBC板,也有貼全橋六單元形式的貼六塊的DBC板。從上面可以發現,隨著老化時間的進行,基板與底板之間大面積地互連快速地出現失效。我們可以看出分層圖片由邊緣不斷向中心擴展,這會極易導致封裝的熱阻快速增加。這個熱阻會極大的影響模塊的整體散熱程度,從而進一步加速模塊的老化失效,并最終使得焊料分層斷裂,嚴重制約了模塊高溫應用、復雜工況、震動等領域的使用。

我們認為可以有很多種方法提高它,比如采用更好的無鉛焊料等等,但是它的提升仍然是有限的。我們基于我們開發的一個技術,就是納米銀焊膏的技術,因為銀焊膏的特點就是低溫成形(區別于焊點),高溫使用。為什么高溫使用呢?因為它的低溫成形并不是把銀熔化,而是通過固相燒結的方式形成連接。因此在形成這樣形式的連接之后,讓它發生熔化的熔點就是銀的熔點,銀的熔點是960℃,使得二次焊點選擇的余地會更大。為什么呢?因為一次焊選擇原來的300多度熔點的焊料,變成選擇900多度熔點的焊料,這樣二次焊就可以選擇更高溫度的焊料,就可以大幅度提升它耐溫的性能,提高它的高溫可靠性。此外,現在有的直接選擇低溫燒結納米銀焊膏作為二次焊的焊接也是可以的,并且可以實現一次成形,這在國外也有所報道。但是它的成本對于汽車領域也許是一個比較好的方案,但是對于其他相對成本管控更嚴的方案來說,我們希望退而求其次,高溫低成本無鉛的焊料、高溫焊點、有鉛的焊料等,從而實現保證高溫可靠的前提下,降低它的成本。

因此為了驗證該想法的可行性,我們在實驗室用批量制備的模塊進行老化實驗。包括模塊ABCD四個類型,模塊A是傳統的商業模塊,高溫焊料一次連接,低溫焊料二次連接,B、C、D的芯片連接采用的都是燒結的納米銀,基本上二次焊連接選取的有低溫焊料、高溫的無鉛焊料、高溫的有鉛焊料這幾種來對比和驗證它。BCD和A主要目的是為了驗證燒結銀的焊料對于壽命提升的一個效果。BCD之間的比較是為了驗證不同的二次焊的焊料所帶來的壽命的變化。

第一步會制備不同的IGBT模塊,表征和分析它的靜態和動態電性能及熱性能,最后探究它的高低溫沖擊后熱性能及老化。

模塊封裝的工藝流程都是在我們實驗室可以直接完成的,因為我們實驗室有一條比較完整的科研生產線。大家可以看到這樣的一個流程制備,并且最終形成1200V/50A樣品模塊。

這是ABCD不同模塊在低溫25℃,高溫125℃的一個常規的靜態I-V曲線的測試。我們可以發現它的靜態參數的重合度非常的高。這也說明兩點,第一,模塊BCD的方案較之于模塊A商業的方案,模塊的性能并沒有因為封裝導致性能的退化;第二,在科研工藝線上所封裝的模塊不會因為工藝的問題導致芯片性能的退化,表現出良好的靜態輸出,說明基板連接材料的差異對靜態電特性沒有影響。

我們在雙脈沖測試設備中進行了動態開關性能的測試。母線電壓是600V,集電極電流是50A,這樣的一個測試條件。經過測試,得到了一個和靜態性能一致和效果。動態參數也一致性非常的好,重合度高。也印證了剛才說到的兩點,第一,采用不同的基板連接材料并沒有導致芯片性能的退化,具有可行性。第二,我們自身的科研工藝線工藝能力也未造成芯片本身性能的退化。整個封裝過程中并沒有預先導致芯片性能的退化,說明整體的封裝方案,封裝的工藝是具有可行性的。

接下來我們測試了模塊的熱阻性能。這是我們自主開發的一個熱阻測試設備,可以測試IGBT,也可以測試碳化硅器件的不同的熱阻,而且也可以測試成品模塊,也可以測試半成品封裝模塊。我們開發這套設備是為了降低整個測試的成本,這個設備非常便宜。同時,我們采用柵極電壓作為溫度敏感量,因為將柵極電壓作為敏感量,整個測試電壓的K系數值是將近-10℃/W,比傳統采用VCE的測壓值來說精度會提高4倍,因為VCE的對應的K系數只有-2.5℃/W。

然后我們首先對比了各模塊的熱度測試。模塊A是商用的,直接買來的,廠商在用的IGBT模塊。它的穩態熱阻在0.407℃/W,采用燒結銀方案的BCD模塊均降到了0.337℃/W,熱阻下降了17.2%,而且BCD模塊的熱阻性能差異非常大,也就是說主要得益于在芯片層采用了燒結銀作為芯片連接材料,它的整個熱阻出現了17.2%的熱阻下降。此外,它的瞬態熱阻變化也非常明顯,大家也可以看到,曲線一開始瞬態熱阻整體的值就小于商業模塊A的熱阻值。這是因為燒結銀的熱導率是大于240W/(m·K)。實際上,現在的燒結銀的熱導率比240更高,取決于燒結銀的工藝。目前在這個研究方案中采用的是無壓低溫燒結納米銀的方案。這里我們之前的工作有報道,大家有興趣可以再翻閱一下。

接下來開始分享熱沖擊性能,也就是我們常說的高低溫沖擊老化性能。這個主要用于評價二次焊連接的可靠性的一個重要的測試標準、測試方法,也是比較公認的。我們選取的是低溫-40℃,高溫150℃的測試條件,也是基于我們實驗設備的測試能力所達到的一個測試條件。高低溫的轉換時間小于5分鐘,高低溫的保濕時間各30分鐘。從而進一步驗證兩方面能力,第一個是驗證二次焊連接抗高低溫交互沖擊能力,第二個是驗證它在高溫和低溫分別保持30分鐘所出現的蠕變,以及低溫脆化的一些現象。采用的標準是測試模塊的整體的測試熱阻值較之于試驗初始值20%的變動作為老化判據。

這是一個抗沖擊老化的測試結果。大家可以看到,對比ABCD各模塊,商業A模塊在400小時-600小時之間觸發了老化,也就是說商業模塊在400小時與600小時之間就已經出現了失效。而采用燒結銀作為芯片的連接層,采用不同的二次焊料作為基板與底板連接方案的BCD模塊可以發現,對于B,也就是采用低溫焊料的模塊,性能雖有提升,但提升并不明顯,在800小時左右出現了失效,也就是說從400到600提升至800。但是對于C高溫無鉛焊料的模塊,模塊整體老化到1000小時。對于D高溫有鉛焊料的模塊來說,在1000小時,它離失效還有一定的距離值,提升了大概15%。說明了采用燒結銀作為芯片連接材料,采用高溫有鉛焊料作為模塊的二次焊連接時,整體的抗溫度沖擊的老化能力得到了大幅提升,滿足嚴苛工況的應用要求。

針對不同的老化時間,不同的模塊,針對二次焊界面的退化性能,我們采用超聲顯示掃描鏡對焊接層進行了無損掃描。大家可以看到,經過對比一千多個小時循環后基板的掃描結果是在熱沖擊過程,互連層角部的熱機械應力最大,最先出現裂紋,并且不斷向里延伸。對于表現最優的模塊D來說,經過一千多個小時焊化,整個焊接分層非常不明顯,幾乎都是黑色的區域,這得益于選用高溫焊料,互連界面分層開裂有效抑制。

這是我們對于這階段的實驗進行的總結。1、以電流輔助燒結銀作為芯片的連接材料,高溫低成本Sn5Pb92.5Ag2.5焊料為基板的連接材料的模塊D,它的靜態和動態電氣性能都非常一致,沒有出現芯片的退化,證明了該模塊工藝的可行性。

2、與商用IGBT模塊相比,D模塊的熱阻降低了17.2%。

3、D模塊的抗熱沖擊能力從原來商業模塊的400-600小時,達到1000小時以上,成功提高了模塊的抗熱機械疲勞性能。

接下來介紹第二部分抗功率循環老化能力提升嘗試。

為什么要分享這部分內容呢?除了二次焊焊接,還要提到引線鍵合部分。它也是屬于微小鍵合部分,它的焊點更小,一根根線的焊接,尤其針對SiC芯片。因為SiC芯片的面積是Si芯片的1/2,SiC芯片的楊氏模量是Si芯片的3倍,泊松比是Si芯片的1.6倍,所以SiC引線鍵合失效風險更大。因為它的面積更小,所能打的線的數量更少。單位線所需要通流的能力效更大,電流會更大,電流密度會更高。同時SiC芯片的楊氏模量要比Si芯片要高得多得多。所以在同樣的電流能力下,都需要承受更大的應力。更何況SiC芯片電流密度會更大,所以使得整個SiC芯片鍵合線上所承受的機械應力的狀態是遠高Si芯片上的。因此它的失效風險會非常嚴峻。

這個現象近期也得到了廣泛的關注和報道。以德國為代表,他們在焊料層的飄移率更大,壽命出現非常大的下降,有報道相同功能量的SiC模塊壽命比Si模塊壽命減少30%,這是比較樂觀的。有最高的報道降到了原來的10%,也就是降低了90%,這取決于不同的工藝循環時溫度交變范圍。交變范圍的大與小直接影響了壽命倍數的差異。

我們自己也做了這方面的研究,這是SiC的二極管,失效芯片表面鍵合點中心區域存在明顯的黑點,說明當鍵合點失效面積越來越大時,有效連接區域通過的電流會越來越大,到一定程度,從而導致過流燒壞,造成失效。

我們進行了一個仿真的分析。采用燒結銀作為芯片的連接層,代替傳統的一次焊采用的高溫高鉛或高溫無鉛焊料的焊料層。首先采用銀最大的一個特點可以降低鍵合的溫度梯度與最高溫度。在這樣的一個模擬的功放當中最高溫度可以降低6℃,同時溫度梯度也得到有效的緩解,得益于它不僅縱向厚度方向上熱導率的提升,提高它散熱條件,降低它的最高溫度。同時由于它橫向平面的熱導率也是非常高的,使得它平面上的擴散能力很強,使得芯片與芯片之間,芯片鍵合線點與點之間的熱合更加明顯時,之間的溫度梯度更小,這樣都有益于降低它的最高溫度點。

針對這一點,我們開發了1200-V/1700-V SiC SBD作為續流二極管,這樣的SiC IGBT的混合模塊,提升鍵合線抗功率循環的能力。以傳統焊料硅的IGBT商業模塊來進行對比。這是表格中顯示的我們制備的兩種模塊與商業模塊進行的對比結果,它主要的特點是采用銀和不采用銀,作為芯片的連接層,都是采用羅姆的芯片,1700-V采用的是中車系列,在此特別感謝中車朋友對我們芯片研究的支持。我們購買到的中車芯片還是不錯的。

我們的低溫燒結納米銀通過控制燒結氣氛和溫度,實現了“芯片/納米銀焊膏/裸銅基板”高強度連接。對于大面積芯片剪切強度能夠達到30MPa以上。這是我們工藝方面的,我就不過度贅述。

模塊封裝工藝全部在實驗室科研工藝線完成。1200-V/300-A采用的是羅姆的SiC SBD芯片,1700-V/300-A 采用的是中車的SiC SBD芯片作為研究對象。

靜態I-V曲線的研究測試如圖所示,重復性非常好,并且它的飽和壓降,包括二極管正向導通都會非常的重合,說明封裝方法可以,芯片無退化。

同時漏電流靜態設施也進行測試。為什么我們要做模塊B,為什么要采用1700-V SiC SBD來比較抗功率循環能力,選用國產的SiC芯片肖特基二極管作為續用二極管,為什么采用它?是因為考慮到其實國外的二極管,它的漏電流是非常大的。我們可以看到150℃漏電流可以達到很高的一個值,是硅的模塊的漏電流2倍。這不僅帶來漏電的損耗,而且整體帶來二次做續流的時候,在反向阻斷的時候,二極管高溫的時候,SiC SBD阻斷能力是存在風險的。因為對1200-V來說,如果阻斷1200-V,它的阻斷臨界在1200-1400之間,所以它的性能則表現不好。因此我們選用了1700-V SiC SBD 代替1200-V,與混合模塊來進行對比。

在150℃時,首先漏電可以大幅下降,降低漏電的損耗,降低操作風險;第二,使用1700-V代替1200-V,它的耐壓有足夠保障。因為1700-V,耐壓可以達到1700、1800甚至1900。這個余量是和目前器件的發展水平也是有關系的。當采用1700-V時,它的漏電、可靠性,安全使用的保障得到大幅的提升。對于Si 的1700-V/1200-V的二極管,它提升電壓,帶來的成本會增加,但是對于SiC SBD來說1700-V/1200-V的成本增加并不明顯,所以使得這個方案具有可行性。

關于動態開關測試。在這樣的一個測試條件下,針對SiC混合模塊分別進行高溫和低溫的測試。

我們可以看到,通過這種方式,我們可以降低混合模塊的峰值電流165A到146A,降低了反向過沖的現象,同進SBD幾乎沒有反向恢復電流的影響?;旌夏KA和B的關斷瞬態電壓的峰值分別降低了40V和52V。優異的反向恢復能力和低過沖關斷特性,進一步驗證了我們整個工藝封裝方案的可行性,并不會因為這些方案的選取和改變帶來它電性的退變。

同時與商用的IGBT模塊對比,混合模塊的反向電流各方面都得到了一個小幅提升。但是對于SiC IGBT來說,它的反向恢復的降低是非常明顯的,這勢必會大幅降低開關損耗。

相比于傳統的全Si模塊,混合模塊的開通損耗降低了30.7%,關斷損耗降低了5.3%,反向恢復損耗降低了88.6%,總的開關損耗降低了28.8%。因此1700V的SiC混合模塊的具有非常低的開關損耗。

接下來進一步針對無壓燒結的混合模塊A、B和商業IGBT模塊進行對比。對于混合模塊來說,采用無壓燒結納米銀封裝的混合模塊穩態熱阻為0.10℃/W,比高鉛焊料連接的Si模塊降低9.9%。因為它的熱阻取決于它的散熱。熱阻對比取決于芯片的面積,不同芯片的面積是不一樣的。所以面積不一樣,它本身的散熱不僅取決于封裝的連接材料,它的散熱熱阻也會不一樣。

第二,混合模塊B的二極管的穩態熱阻為0.102℃/W,比Si降低33.7%。二極管的熱阻每個單元芯片本身降低就會比較明顯。因為二極管的熱阻本身就會更大一些,所以變化幅度會更大。

這是進行功率循環的測試。恒定結溫模式,從150℃到50℃,開通時間3秒,關斷時間3秒,非??焖俚囊粋€功率循環測試,主要用于評價模塊的可靠性。當它的飽和壓量上升5%或熱阻上升20%都可判斷失效。一般來說,工業標準要求這樣的測試要通過30K圈,商業模塊失效壽命均值一般是到60K圈,所以是一定的余量。

針對IBGT芯片,混合模塊采用燒結銀之后,功率循環提高到95K次,達到失效飽和壓降5%的提升,提高了1.5倍。相對于高鉛高溫焊料,無壓燒結銀可以提升這樣一個效果。

它的飽和壓降上升了5.14%,它的熱阻還沒有達到20%。因此低溫燒結銀有助于提升IGBT的鍵合可靠性。

同時,針對SiC的SBD,對于1200V/50A 的SiC羅姆SBD和1200V/50A Si的二極管,我們可以發現,在同樣測試條件下,二者有明顯的差異。

焊料連接的SiC SBD在8000圈時失效,此時正向的電壓增加了0.12V,比燒結銀連的SiC SBD高2.6%。8000次采用焊料的就失效了,Si要比這個高得多,采用燒結銀的壽命比Si要高得多。大約在10000次時,采用燒結銀的開始出現失效,可以說有一定的提升效果,但是不是很明顯。

但至少來說,從加速老化上,提升20%左右的效果,說明它有一定的提升效果。在實際使用過程中,對它壽命也是一種幫助。下一步,我們將進一步在針對SiC模塊老化效果的提升,SiC芯片抗功率循環老化效果的提升進行進一步研究,希望將來有機會討論交流。

這是關于針對功率模塊提升的總結。

国产精品久久一区二区三区