傳統(tǒng)的功率模塊基本結(jié)構(gòu)分層圖來說說其構(gòu)成：

可見，我們前面聊的很多的半導(dǎo)體芯片，只是功率模塊中的一部分，除此之外還包括其他的成分。而這些成分的選擇和搭配，再結(jié)合半導(dǎo)體芯片的特性，將決定功率模塊的整體性能。

?功率半導(dǎo)體芯片：如IGBT、FRD、MOSFET等等，傳統(tǒng)Si基和新興的第三代半導(dǎo)體SiC等，它們的特性受制于其本身的設(shè)計(jì)，同時(shí)也需要看于其搭配的封裝材料和技術(shù)；

?絕緣襯底：主要是由陶瓷或硅化合物構(gòu)成的絕緣層，其上覆蓋金、銀和銅等構(gòu)成的金屬層；

?底板：一般由銅、銅合金、碳基強(qiáng)化混合物、碳化硅鋁等構(gòu)成；

?互連材料：一般分為鉛焊錫和無鉛焊錫兩類，當(dāng)然也包含銀燒結(jié)、固液互擴(kuò)散連接等新興技術(shù)；

?功率互連主要使用的是鋁線鍵合，還包括壓接式連接和功率端子連接；

功率模塊的每一層之間都是緊密相關(guān)的，它們具有不同的電氣、機(jī)械及熱性能，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮彼此之間的配合，同時(shí)也可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景產(chǎn)生不同的搭配組合。所以很多半導(dǎo)體模塊的廠家會(huì)根據(jù)不同的應(yīng)用需求來選擇不同的材料。

功率模塊封裝材料的選擇一般會(huì)考慮下面幾點(diǎn)：

★熱特性

★電氣特性

★機(jī)械特性

★化學(xué)特性

★成本

★技術(shù)成熟度

其中，熱性能是其最主要的因素。功率模塊的選型和使用過程中考慮得最多的也是熱，以及失效的最主要的因素也是熱，所以熱特性是功率模塊選擇的主要考慮因素。

熱應(yīng)力：在溫度循環(huán)和熱疲勞測(cè)試中，加熱過程中各層材料的熱膨脹系數(shù)不同，將導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，如果超過某層材料的機(jī)械強(qiáng)度限制，將會(huì)產(chǎn)生失效；

熱導(dǎo)率：功率模塊在使用過程中，半導(dǎo)體芯片將會(huì)產(chǎn)生大量的熱損耗，需要通過基板和底板等進(jìn)行有效地傳輸散熱，以保證芯片的結(jié)溫能夠控制在合適的范圍之內(nèi)。一般來說，較低的芯片結(jié)溫能夠延長(zhǎng)模塊的可靠性，結(jié)溫沒上升9℃，模塊的失效概率將會(huì)增加一倍。所以，功率模塊的設(shè)計(jì)，除了半導(dǎo)體芯片，其他組成也是一個(gè)需要精心選擇和設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

接下來我們將分別介紹功率模塊各層的材料。

絕緣襯底主要是作為半導(dǎo)體芯片的底座，同時(shí)會(huì)在絕緣襯底上沉積導(dǎo)電材料、絕緣材料和阻性材料，還能形成無源的元器件。作為功率模塊機(jī)械支撐的結(jié)構(gòu)，需要能夠耐受不同的工作環(huán)境，并且需要有足夠的熱導(dǎo)率將芯片等產(chǎn)生的熱量快速傳遞出去。并且，一些后續(xù)的工藝，如薄膜，綁定，間距等等，需要絕緣襯底能夠擁有一個(gè)較為合理的平整度。

功率模塊的襯底選擇標(biāo)準(zhǔn)

電氣特性

高體電阻率：＞1012Ω/cm

高介電強(qiáng)度：＞200V/mil (1mil=0.0254mm)

低介電常數(shù)：＜15

熱特性

高導(dǎo)熱率：有效熱傳導(dǎo)＞30W/m·K

與半導(dǎo)體芯片的熱膨脹系數(shù)較為匹配：般選擇在

2~6×10-6/℃

高耐溫：一般能夠滿足后續(xù)加工工藝的最大溫度

機(jī)械特性

高抗拉強(qiáng)度：＞200MPa

高抗彎強(qiáng)度：＞200MPa

硬度較合理

機(jī)械可加工性：易于磨削、拋光、切削和鉆孔等

可金屬化：適用于較為常見的金屬化技術(shù)，如薄膜和厚膜工藝、電鍍銅等等，這段我們下篇聊

化學(xué)特性

耐酸、堿及其他工藝溶液的腐蝕

低吸水率、空隙小

無毒性

不會(huì)等離子化

密度

低密度：機(jī)械沖擊能夠最小化

成熟度

技術(shù)較為成熟

材料供應(yīng)能夠滿足

成本盡可能低，（說性價(jià)比高更為合適，畢竟不同的應(yīng)用所能容許的成本高低不同）

目前幾種適用于功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用的絕緣襯底材料有下面幾種：

?陶瓷材料（3種）：Al2O3(96%,99%)、AlN、BeO

?硅基襯底：Si3N4

其中屬氧化鋁較為常見，不過在功率半導(dǎo)體芯片等框架確定時(shí)，一些供應(yīng)商會(huì)通過改變模塊中的其他成分，來達(dá)到要求，所以AlN和Si3N4也算常見。下面，我們來聊聊這幾種絕緣襯底材料的優(yōu)劣。

一、氧化鋁（Al2O3）

優(yōu)勢(shì)：

是絕緣襯底最為常用的材料，工藝相對(duì)較為成熟；成本較低；性能能夠滿足我們上述的要求；

劣勢(shì)：

導(dǎo)熱系數(shù)較低，熱膨脹系數(shù)(6.0~7.2×10-6/℃)與半導(dǎo)體芯片(Si基的一般為2.8×10-6/℃)的熱膨脹系數(shù)不算太匹配；高介電常數(shù)；抗酸性腐蝕性能一般；

所以，氧化鋁適用于中、低功率器件；適合高壓和低成本器件；適用于密封封裝；99%的氧化鋁性價(jià)比更高一些。

二、氮化鋁（AlN）

優(yōu)勢(shì)：

熱導(dǎo)率高，約為Al2O3的6倍，較為適合大功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用；AlN的熱膨脹系數(shù)為4.6×10-6/℃，較為匹配芯片；性能同樣滿足我們上述的要求；

劣勢(shì)：

是一種較新的材料，但與氧化鋁和氧化鈹相比工藝還不算成熟；在其表面直接敷銅的難度較大，易發(fā)生熱疲勞失效；成本約為氧化鋁的4倍；并且在較高溫度和較大濕度下可能會(huì)分解為水合氧化鋁；

適合大功率半導(dǎo)體器件的理想襯底之一，由于其機(jī)械斷裂強(qiáng)度一般，應(yīng)用時(shí)需要合金屬底板配合使用。

三、氧化鈹（BeO）

優(yōu)勢(shì)：

極其優(yōu)異的熱導(dǎo)率，約為Al2O3的8倍；同樣適合大功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用；工藝成熟；

劣勢(shì)：

無論是固態(tài)粉末還是氣態(tài)都是有毒性的；熱膨脹系數(shù)相對(duì)較大，約為7.0×10-6/℃；機(jī)械強(qiáng)度較差，只有Al2O3的60%左右；成本是氧化鋁的5倍；

有毒性大大限制了這種材料的使用。

四、氮化硅（Si3N4）

優(yōu)勢(shì)：

熱膨脹系數(shù)約為3.0×10-6/℃，與半導(dǎo)體芯片較為接近；機(jī)械性能優(yōu)越：是Al2O3和AlN的2倍以上，是BeO的3倍；熱導(dǎo)率高，是Al2O3的2.5倍；適合大功率半導(dǎo)體的應(yīng)用；高溫強(qiáng)度高，抗熱震性優(yōu)良；

劣勢(shì)：

技術(shù)相對(duì)還沒有那么成熟，所以供應(yīng)商也相對(duì)有限；不適合酸性環(huán)境下的應(yīng)用；成本是Al2O3的2~2.5倍；

對(duì)于大功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用來說，Si3N4應(yīng)該是目前最優(yōu)的襯底材料，CTE和熱導(dǎo)率較為優(yōu)勢(shì)，可靠性也較高。

以上4種絕緣襯底，最常見的氧化鋁，最不常見的氧化鈹，以及較為優(yōu)異的碳化硅，很多廠家都在針對(duì)不同的應(yīng)用來搭配不同的絕緣襯底，這一點(diǎn)能夠在芯片技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，間接地更大效率地發(fā)揮已有芯片的性能。

幾種常用的金屬化技術(shù)：

?薄膜

?厚膜

?電鍍銅

?直接敷銅

?活化釬焊覆銅

?硬釬焊敷銅

絕緣襯底表面金屬化要求：

熱特性：

高熱導(dǎo)率（＞200W/K·m）

與絕緣襯底的熱膨脹系數(shù)相匹配

高抗熱疲勞性（溫度循環(huán)相關(guān)）

高熱穩(wěn)定性（即耐高溫性）

電氣特性：

載流能力強(qiáng)

低電阻率（一般而言，通過金屬鍍膜的電壓降要小于芯片集射極之間飽和壓降的1/10）

機(jī)械特性：

與絕緣襯底的高附著力

適合鍵合

適合焊接等工藝

與絕緣襯底相兼容

與現(xiàn)有工藝設(shè)備相兼容

化學(xué)特性：

易于刻蝕成形（幾種技術(shù)中，厚膜不作此要求）

不和工藝過程中的溶劑反應(yīng)

無毒性

抗腐蝕性良好

化學(xué)惰性

成本：

滿足要求的情況下盡可能低（這點(diǎn)毋庸置疑）

薄膜技術(shù)

薄膜一般是通過在襯底的整個(gè)表面進(jìn)行濺射或者物理氣相沉積的方式形成，薄膜層經(jīng)過灌封材料、曝光、蝕刻等獲得設(shè)計(jì)的樣式。常用薄膜金屬材料有：金、銀、銅和鋁。

與厚膜技術(shù)相比，薄膜技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更精準(zhǔn)的定位和更細(xì)小的間距，所以非常適合高頻、高密度的應(yīng)用。薄膜層和絕緣襯底的結(jié)合力較強(qiáng)，并且具有優(yōu)異的抗熱疲勞老化的能力，同時(shí)鍵合能力也較優(yōu)于厚膜技術(shù)；但從成本來看，薄膜技術(shù)比厚膜要貴上個(gè)5倍左右，同時(shí)多層薄膜結(jié)構(gòu)難度較大。

通常薄膜層的厚度為2.5um,甚至可以更薄，載流能力在幾到幾十安培。

厚膜技術(shù)

厚膜一般是通過絲網(wǎng)印刷的方式將特別配置的焊錫膏印制在襯底上，然后進(jìn)行干燥，最后通過高溫下燒結(jié)成形。焊錫膏可以用來制作導(dǎo)體、電阻、電容、電感等等無源元器件，厚膜一般有三種類別：聚合物厚膜、金屬陶瓷厚膜和耐火材料厚膜，厚度介于0.5~2mil之間。

①聚合物厚膜

采用高分子樹脂混合導(dǎo)電、阻性或者絕緣的顆粒，在85~300℃的溫度下進(jìn)行固化，固化溫度一般為120~165℃。這種金屬化的成本較低，但是被限制在低溫下使用。

②金屬陶瓷厚膜

這是最常用的金屬化厚膜，，適用于陶瓷和硅基襯底，包含以下幾組成分：

①活性成分：有助于厚膜的成形；

②黏結(jié)成分：提供和襯底之間的黏結(jié)力；

③有機(jī)黏結(jié)劑：為絲網(wǎng)印刷提供足夠的流動(dòng)性；

④溶劑或者稀釋劑：調(diào)整黏度用。

此混合材料的成形溫度介于850~1000℃，厚膜與襯底的附著力較優(yōu)，但是抗熱疲勞能行較差，最大載流能力在幾安培左右。

③耐火厚膜

這是一種能夠承受高溫的特殊金屬陶瓷厚膜，通常在1500~1600℃的還原氣氛中進(jìn)行熱處理，膜和襯底之間的附著力很強(qiáng)并且抗熱疲勞強(qiáng)度很高，常用的耐火厚膜材料為鎢和鉬，載流能力被限制在1~2A。

金屬化敷銅技術(shù)

相對(duì)于薄膜和厚膜技術(shù)而言，沒有了金屬化厚度的限制，有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

★增加金屬化層的厚度；

★提高了金屬化層的載流能力；

★提高了熱導(dǎo)率；

值得注意的是，隨著金屬化層厚度的增加，熱膨脹系數(shù)和絕緣襯底的匹配程度將越來越差，在較大的熱失配時(shí)將產(chǎn)生顯著的殘余的熱應(yīng)力，甚至?xí)?dǎo)致微小裂紋。

金屬化敷銅技術(shù)的四種方法：

電鍍銅；

直接敷銅；

活化釬焊覆銅；

常規(guī)硬釬焊敷銅；

銅鍍層還需要解決結(jié)合難度高和化學(xué)性較為活潑的問題，一般會(huì)通過添加過渡層來提高結(jié)合力，并在銅表面增加鎳或者金來作為保護(hù)層。

電鍍銅

該方法是通過電鍍技術(shù)在絕緣襯底表面電鍍一定厚度的銅，首先需要通過厚膜或者薄膜工藝在襯底表面沉積一層金屬膜，通過用鉬或著錳作薄膜材料，用銅作厚膜材料。可以用化學(xué)鍍的方式將一層薄銅預(yù)鍍?cè)诤衲踊蛘弑∧颖砻?，再利用電鍍技術(shù)繼續(xù)沉積銅層，最后可以將銅鍍層在氮?dú)庵羞M(jìn)行高溫處理，以獲得較好的結(jié)合力和抗熱疲勞能力。

電鍍層一般介于5~8mil，可通過光刻獲得精細(xì)電路圖案。如果再增加鍍層厚度，光刻圖案精度會(huì)下降，但是載流能力能到50A左右。

直接敷銅

直接敷銅時(shí)利用高溫下實(shí)現(xiàn)銅和陶瓷的緊密直連，銅和陶瓷界面之間不需要任何的焊劑或者催化劑。銅和陶瓷在氮?dú)庵斜患訜岬?070℃左右（略低于銅的熔點(diǎn)），此時(shí)銅氧化物薄膜可以形成共熔晶體潤(rùn)濕連接界面，冷卻后實(shí)現(xiàn)銅和陶瓷的緊密連接。

此方法金屬銅層厚度介于8~20mil，同樣可以通過光刻來獲得設(shè)計(jì)的電路圖案，但是精度不會(huì)太高。

直接敷銅用于功率模塊封裝的優(yōu)點(diǎn)：

?銅和陶瓷的連接體表現(xiàn)為一個(gè)具有均勻熱膨脹系數(shù)的整體，其熱膨脹系數(shù)更接近于陶瓷。

?選用的銅材料純度較高，無氧且導(dǎo)電能力強(qiáng)，選用合適的線寬和厚度，金屬層能夠獲得很低的電阻，載流能力可以到100A以上。

?較大的銅層厚度保證了功率芯片的熱傳導(dǎo)。

AlN和Si3N4絕緣襯底則必須先進(jìn)行一定的工藝處理，因?yàn)橹苯臃筱~首先需要一層氧化膜，相對(duì)較為繁瑣，下面的更適合這兩種襯底。

活化釬焊覆銅

活化釬焊覆銅技術(shù)采用焊料合金在銅和陶瓷之間形成黏合層。釬焊通常以黏結(jié)的形式實(shí)現(xiàn)，大多使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，得到的鈦釬焊層具有優(yōu)良的附著力和熱循環(huán)能力。

活化釬焊覆銅已經(jīng)廣泛應(yīng)用于AlN和Si3N4絕緣襯底，而相對(duì)于直接覆銅，其優(yōu)點(diǎn)如下：

?更強(qiáng)的黏合力；

?更強(qiáng)的載流能力；

?更高的熱疲勞強(qiáng)度。

常規(guī)硬釬焊敷銅

與上述的活化釬焊較為相似，但是硬釬焊技術(shù)必須在真空條件下進(jìn)行。首先在襯底上濺射一層薄銀層，并以黏結(jié)的方式將銀合金焊料粘在搞薄膜上，最后將銅箔覆蓋在上面。將整體加熱到焊料合金的熔點(diǎn)進(jìn)行制造，釬焊后的頂層可以通過光刻得到想要的圖案。

除了電鍍銅技術(shù)之外，后三者比較適合大功率半導(dǎo)體的金屬化工藝。

底板作為絕緣沉底的機(jī)械支撐，一是吸收功率器件內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，二來要將熱量傳遞出去，必須具有較高的熱導(dǎo)率才能有效地傳遞熱量。并且需要具有較低的表面粗糙度，能與絕緣襯底緊密接觸，否則由于粗糙度造成的空隙會(huì)形成熱點(diǎn)，降低可靠性。另外底板還需要具有一定的形變能力，可以與散熱器等熱沉緊密接觸。

底板選擇標(biāo)準(zhǔn)

首先為了與絕緣襯底相匹配，需要與絕緣襯底的熱特性、機(jī)械特性、化學(xué)特性等相匹配，除此之外：

01

熱特性

熱導(dǎo)率(W/m·K)——高于150W/m·K

熱膨脹系數(shù)——與絕緣襯底相匹配

02

機(jī)械特性

高抗拉強(qiáng)度——高于200MPa

高抗彎強(qiáng)度

易于塑形

表面粗糙度低——低于2um

03

化學(xué)特性

不與處理溶劑發(fā)生反應(yīng)

低吸水率

低毒性

04

成本

始終是不可不考慮的一點(diǎn)

目前半強(qiáng)化的高導(dǎo)電無氧銅是底板的首選材料，而大多數(shù)高性能襯底采用的則是復(fù)合材料，通過控制復(fù)合材料的合金成分、粉末顆粒大小合成分組成來控制底板的性能。目前最先進(jìn)的復(fù)合材料多數(shù)是聚合物、金屬和碳釬維強(qiáng)化或者顆粒強(qiáng)化，或兩者皆有；纖維強(qiáng)化復(fù)合材料是各向異性的，顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料是各向同性的。

幾乎所以絕緣襯底材料都會(huì)選擇鋁層或者銅層作為接觸部分，這兩種材料都需要通過表面鎳或者鎳/金層來提高可焊性，同時(shí)起到免受腐蝕的作用。

可作為底板的材料：

銅、鋁、銅/鉬/銅、碳化硅鋁、銅/鎢基、銅/鉬基、銅/石墨基、銅/金剛石基、鋁/石墨基

其中只有銅/鉬/銅層壓板是大顆粒復(fù)合材料，其余都是微顆粒復(fù)合材料。

考慮到化學(xué)反應(yīng)的影響，所有材料的表面都會(huì)鍍鎳層，能夠保證良好的焊料潤(rùn)濕性、低吸水性和對(duì)處理溶劑的耐腐蝕性。

各種底板的一些劣勢(shì)：

Cu/Mo/Cu:成本高、密度高、難以機(jī)械加工、存在分層的可能性；

Cu/Mo:成本高、密度高、機(jī)械加工困難；

Cu/W:成本高、密度高

AlSiC復(fù)合材料

碳化硅鋁復(fù)合材料是片狀或者近凈成形的材料，是目前出了銅底板之外較常遇到的底板材料。近凈成形工藝可以使得導(dǎo)熱片底面變形，可增大底板與冷卻系液之間的導(dǎo)熱面積，利于散熱，并能夠在批量生產(chǎn)中減少加工需求。

大部分近凈成形復(fù)合材料制造步驟大致如下：

①加工準(zhǔn)備：多孔顆粒碳化硅通過注射成型得到多孔AlC半成品，能夠具有底板需要的幾何特征，包括腔、孔以及表面紋理等等。如果預(yù)處理溫度較為合適，還可以在絕緣襯底上進(jìn)行制造。

②滲透：將多孔半成品插入尺寸和底板成品相同的模具中，在真空和高壓的條件下，熔融狀態(tài)的耐火鋁滲透到多孔半成品中，可以形成多種鋁硅合金以得到所需性能。

③后續(xù)加工：在底板頂端采用火焰噴涂銅層來加強(qiáng)和絕緣地板的焊接能力。

所以AlSiC的劣勢(shì)是機(jī)械加工難度大，過程控制較為嚴(yán)格。

而隨著材料技術(shù)的不斷發(fā)展，摻雜石墨纖維的復(fù)合材料在大功率器件的應(yīng)用將有著良好前景，同時(shí)還需要看未來功率模塊的發(fā)展速度，否則石墨纖維復(fù)合材料的發(fā)展再快也不會(huì)在功率模塊中得到應(yīng)用，所以希望是乘風(fēng)破浪，不久的將來我們能夠看到越來越多的具有新材料的功率模塊。

半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步使得芯片的尺寸得以不斷縮小，倒逼著封裝技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，也由此產(chǎn)生了各種各樣的封裝形式。當(dāng)前功率器件的設(shè)計(jì)和發(fā)展具有低電感、高散熱和高絕緣能力的屬性特征，器件封裝上呈現(xiàn)出模塊化、多功能化和體積緊湊化的發(fā)展趨勢(shì)。為實(shí)現(xiàn)封裝器件低電感設(shè)計(jì)，器件封裝結(jié)構(gòu)更加緊湊，而芯片電壓等級(jí)和封裝模塊的功率密度持續(xù)提高，給封裝絕緣和器件散熱帶來挑戰(zhàn)。在有限的封裝空間內(nèi)，如何把芯片的耗散熱及時(shí)高效的釋放到外界環(huán)境中以降低芯片結(jié)溫及器件內(nèi)部各封裝材料的工作溫度，已成為當(dāng)前功率器件封裝設(shè)計(jì)階段需要考慮的重要問題之一。