【導讀】SiC芯片可以高溫工作，與之對應的連接材料和封裝材料都需要相應的變更。三菱電機高壓SiC模塊支持175℃工作結溫，其封裝技術相對傳統IGBT模塊封裝技術做了很大改進

，本文帶你詳細了解內部的封裝技術。

SiC芯片可以高溫工作，與之對應的連接材料和封裝材料都需要相應的變更。三菱電機高壓SiC模塊支持175℃工作結溫

，其封裝技術相對傳統IGBT模塊封裝技術做了很大改進，本文帶你詳細了解內部的封裝技術。

為了實現低碳社會
，能夠高效電能變換的電力電子技術正在擴展到消費、工業、電氣化鐵路、汽車

、taiyangnengfadianhefenglifadiandenggegelingyu。qizhong
，gonglvmokuaizaikongzhidianliufangmianfahuizhezhongyaozuoyong，xuyaojianshaoyunxingguochengzhongdesunhao
，jianxiaofengzhuangchicun，bingtigaogonglvmidu。jinnianlaibeishouguanzhudeSiC（碳化矽）與以往的Si（矽）相比具有高速開關且低損耗的特點，能夠飛躍性地提高性能
，因此被期待為下一代的功率器件。此外，由於SiC能夠高溫工作


，因此可以通過減小封裝尺寸來促進功率單元的小型化，但為此，需要開發能夠應對高溫工作的封裝材料和結構。

在zai封feng裝zhuang開kai發fa過guo程cheng中zhong，我wo們men提ti高gao了le鍵jian合he材cai料liao和he灌guan封feng材cai料liao等deng各ge部bu件jian的de耐nai熱re性xing，並bing開kai發fa了le對dui應ying的de工gong藝yi技ji術shu，特te別bie是shi提ti高gao了le對dui溫wen度du循xun環huan壽shou命ming有you影ying響xiang的de鍵jian合he部bu位wei的de可ke靠kao性xing，實shi現xian了le高gao質zhi量liang和he高gao可ke靠kao性xing。通tong過guo應ying用yong這zhe些xie技ji術shu，我wo們men開kai發fa了le一yi種zhong支zhi持chi芯xin片pian工gong作zuo溫wen度du（Tjop）175℃高溫運行的封裝。

圖1顯示了開發的高溫工作全SiC功率模塊（FMF185/375/750DC-66A）的封裝外觀，圖2顯示了主要結構（示意圖）。作為支持175℃高溫運行的封裝結構，在底板上使用耐高溫焊錫來連接耐高溫絕緣基板
，在絕緣基板上使用Ag燒結技術鍵合芯片。芯片上麵的電極和絕緣基板金屬層用Al線連接，與外部電氣連接的電極與絕緣基板金屬層進行US鍵合。外殼安裝在底板上，內部填充了耐高溫灌封材料。

圖1：適用於高溫工作的封裝外觀

當考慮芯片的高溫運行時，由於傳統焊料在芯片鍵合時的物理限製，因此需要新的鍵合材料和合適的工藝。本公司開發了使用Ag粒子燒結鍵合工藝，實現了耐高溫


、高品質化。

Ag燒結連接工藝進行多個芯片的批量鍵合。因此，在高溫工作封裝中
，相對於以往封裝，芯片尺寸縮小，研究了在4×3的芯片排列中高密度化統一鍵合。圖3顯示了通過Ag燒結進行批量鍵合後的SAT（Scanning Acoustic Tomography）圖像，圖4顯示了鍵合截麵圖像。從SAT圖像和截麵圖像的結果來看
，鍵合處沒有空隙或龜裂等，可以確認鍵合狀態良好。因此，在高溫工作封裝中，通過Ag燒結實現了芯片的高密度化和高質量的鍵合。

圖3：Ag燒結批量鍵合後的SAT圖像

過去一直使用AlN（氮化鋁）陶瓷的絕緣基板，此次研究了采用Si3N4（氮化矽）陶瓷的耐高溫絕緣基板作為新材料。為了評價耐高溫性能
，對AlN絕緣基板和Si3N4絕緣基板實施溫度循環試驗，使溫度變化為-40~175℃（ΔT=215K），對陶瓷部分和基板金屬層的鍵合部裂紋變化進行檢測、確認。結果，如圖5所示，AlN絕緣基板的陶瓷部分出現龜裂，而Si3N4絕緣基板在600個循環後也未發生龜裂，實現了耐高溫、高可靠性。

圖5(a)：溫度循環測試後的絕緣基板截麵圖-AlN基板

連接絕緣基板和底板的焊料必須保持鍵合處無裂紋，以保證對基板的散熱，防止芯片過熱。因此

，我們研究選擇了耐久性
、耐熱性的RoHS焊錫材料。對於耐高溫焊料

，在表1所示的混合元素基礎上添加了多種元素
，以提高鍵合壽命
，使其符合絕緣基板和底板的機械物理性能。使用選定的焊料，將Si3N4絕緣基板和底板連接起來，並進行了溫度循環試驗，其中溫度變化為-40~175℃（ΔT=215K）。結果，即使在600次循環後，也沒有觀察到鍵合處出現裂紋，並驗證了它可以作為耐高溫焊料使用（圖6）。

表1：耐高溫焊錫材料的主要混合元素和效果

傳chuan統tong用yong於yu電dian氣qi連lian接jie到dao外wai部bu的de電dian極ji是shi使shi用yong焊han料liao鍵jian合he到dao絕jue緣yuan基ji板ban金jin屬shu層ceng。然ran而er，隨sui著zhe功gong率lv密mi度du的de增zeng加jia
，由you於yu電dian極ji電dian阻zu成cheng分fen引yin起qi的de發fa熱re和he電dian極ji與yu基ji板ban金jin屬shu的de鍵jian合he部bu分fen溫wen度du上shang升sheng成cheng為wei問wen題ti，因yin此ci需xu要yao提ti高gao高gao溫wen循xun環huan下xia的de鍵jian合he壽shou命ming。因yin此ci
，我wo們men利li用yongUS（超聲波）焊接技術將電極與基板金屬直接鍵合在一起，並通過去除焊料提高了鍵合強度，從而在高溫循環中提高了電極與絕緣基板的鍵合壽命。

為了實現功率模塊的更高工作溫度，我們不斷開發器件封裝技術。表2顯示了從傳統封裝到高溫運行封裝的技術。除了引進Ag燒結鍵合、耐高溫絕緣基板、耐高溫焊錫材料、電極US鍵合相關技術外，為支持高溫運行功率模塊的商業化
，創新的封裝設計

、材料及製造工藝的開發是至關重要的。

今(jin)後(hou)，本(ben)公(gong)司(si)將(jiang)以(yi)多(duo)年(nian)積(ji)累(lei)的(de)功(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)封(feng)裝(zhuang)技(ji)術(shu)及(ji)量(liang)產(chan)技(ji)術(shu)為(wei)基(ji)礎(chu)
，加(jia)速(su)開(kai)發(fa)新(xin)一(yi)代(dai)高(gao)溫(wen)運(yun)行(xing)且(qie)高(gao)品(pin)質(zhi)的(de)功(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)，同(tong)時(shi)繼(ji)續(xu)推(tui)進(jin)商(shang)業(ye)化(hua)，為(wei)實(shi)現(xian)環(huan)保(bao)及(ji)節(jie)能(neng)社(she)會(hui)做(zuo)出(chu)貢(gong)獻(xian)。

文章來源：三菱電機半導體

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