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原文作者：小陳婆婆

本文介紹了模塊封裝的關(guān)鍵工藝。

模塊封裝的關(guān)鍵工藝

區(qū)別于分立器件模塊的制造有一些特別的關(guān)鍵工藝技術(shù)，如銀燒結(jié)、粗銅線鍵合、端子焊接等。以下分別就這些關(guān)鍵技術(shù)做些介紹，分述如下

1、銀燒結(jié)

銀燒結(jié)的優(yōu)勢(shì)

銀燒結(jié)技術(shù)對(duì)比傳統(tǒng)的焊料結(jié)合具有顯著優(yōu)勢(shì)：

機(jī)械強(qiáng)度與致密度：銀燒結(jié)形成的連接層具有更高的機(jī)械強(qiáng)度和致密度，能夠承受大電流、高電壓帶來(lái)的大功率應(yīng)用需求。

導(dǎo)電導(dǎo)熱性能：由于銀燒結(jié)是固相連接，形成原子間相互擴(kuò)散的致密連接層，因此其導(dǎo)電、導(dǎo)熱的效率和性能都比焊料有著明顯的提高。

可靠性：銀燒結(jié)連接層能夠在溫度和應(yīng)力循環(huán)過(guò)程中保持固相連接層的強(qiáng)度，其可靠性表現(xiàn)可以達(dá)到15萬(wàn)次以上的功率循環(huán)而不產(chǎn)生裂紋。

銀燒結(jié)的應(yīng)用場(chǎng)景

銀燒結(jié)通常用于大功率應(yīng)用場(chǎng)所，如碳化硅等第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的模塊封裝。這些材料比傳統(tǒng)的硅基材料的結(jié)溫高，達(dá)到200℃以上，而一般硅基材料在175℃以上就會(huì)出現(xiàn)失效。因此，銀燒結(jié)技術(shù)在大功率模塊場(chǎng)合具有廣泛應(yīng)用前景，特別是在汽車等領(lǐng)域。

銀燒結(jié)的材料與工藝

材料：銀燒結(jié)用到的銀有納米銀和直徑0.1μm左右的非納米銀，其應(yīng)用場(chǎng)景有所不同。納米銀燒結(jié)與微米銀燒結(jié)技術(shù)相比，連接溫度和輔助壓力均有明顯下降，極大擴(kuò)大了工藝的使用范圍。

工藝：銀燒結(jié)的燒結(jié)工藝分有壓和無(wú)壓兩種。

無(wú)壓燒結(jié)：通過(guò)粉末顆粒間的自有力和熱運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的致密化，無(wú)需外部壓力的作用。其熱傳導(dǎo)率大約在100W/(m·K)，差不多是有壓燒結(jié)的一半，但對(duì)比銀膠1~5W/(m·K)和焊料的35~65W/(m·K)還是有顯著性的提高。

有壓燒結(jié)：其可靠性最好，但工藝設(shè)備要求也比較復(fù)雜。工藝過(guò)程包括粉末制備、混合與成型、燒結(jié)以及后續(xù)處理等步驟。在燒結(jié)過(guò)程中，需要精確控制燒結(jié)溫度、壓力和時(shí)間等參數(shù)以確保連接質(zhì)量。

銀燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著碳化硅等第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的廣泛應(yīng)用，銀燒結(jié)技術(shù)作為大功率模塊制造的首選工藝，其發(fā)展趨勢(shì)將更加明顯。未來(lái)，銀燒結(jié)技術(shù)有望成為標(biāo)準(zhǔn)配置，在大功率模塊封裝領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

2、粗銅線鍵合

內(nèi)互聯(lián)是封裝過(guò)程中實(shí)現(xiàn)電特性與外部連接的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的內(nèi)互聯(lián)方式，如綁線（Wire Bonding），在功率模塊中主要采用鋁線超聲波壓焊技術(shù)。

然而，隨著功率模塊向大功率、高功率密度方向的發(fā)展，尤其是采用碳化硅等高結(jié)溫第三代功率半導(dǎo)體器件后，對(duì)內(nèi)互聯(lián)的電阻、電感等寄生參數(shù)以及散熱性能的要求越來(lái)越高。因此，粗銅線鍵合技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為提升性能和生產(chǎn)靈活性的重要工藝方法。

粗銅線鍵合技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

粗銅線鍵合技術(shù)相比傳統(tǒng)的鋁線超聲波壓焊技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)：

導(dǎo)電率和導(dǎo)熱性提升：銅線的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱性優(yōu)于鋁線，有助于降低內(nèi)互聯(lián)電阻和電感，提高模塊的散熱性能。

可靠性增強(qiáng)：銅線鍵合技術(shù)通過(guò)優(yōu)化焊接工藝和界面處理，提高了焊接接頭的可靠性和穩(wěn)定性。

靈活性高：粗銅線鍵合技術(shù)可以適應(yīng)模塊內(nèi)芯片不同布局帶來(lái)的互聯(lián)要求變化，保持生產(chǎn)的靈活性。

粗銅線鍵合技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

芯片表面處理：由于芯片表面一般為鋁材質(zhì)，直接使用銅線進(jìn)行焊接容易刺穿鋁層并損傷芯片電路層。因此，需要在芯片表面制作一層薄銅層，以保護(hù)芯片并增強(qiáng)焊接可靠性。這層銅層的厚度通常在50μm左右，可以通過(guò)電鍍或燒結(jié)銀的方法實(shí)現(xiàn)。

電鍍法：采用電鍍法在代工廠直接制作銅薄層，該方法工藝成熟，質(zhì)量可控。

燒結(jié)銀法：開(kāi)發(fā)了通過(guò)燒結(jié)銀將薄銅片燒結(jié)在芯片表面的方法，該方法適用于多種芯片類型，具有較高的靈活性和可靠性。

銅箔層制作：為了實(shí)現(xiàn)粗銅線鍵合，需要先在芯片表面制作一層銅箔層。的DTS技術(shù)采用了一種創(chuàng)新的銅箔層制作工藝流程。該工藝將銅片制成類似晶圓的方式貼在膜上，在銅片背面布敷燒結(jié)銀材料，然后通過(guò)類似裝片中處理芯片的方式拾取銅片并瞄準(zhǔn)將其貼裝到芯片表面，施加一定溫度和時(shí)間完成燒結(jié)。

超聲波冷壓焊：在完成銅箔層制作后，采用超聲波冷壓焊技術(shù)將粗銅線焊接到銅箔層上。該過(guò)程通過(guò)壓緊焊材和母材并施加高頻振動(dòng)摩擦以產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而形成互聯(lián)接頭。由于銅和銅之間的焊接可靠性高于銅和鋁之間，因此這種方法可以顯著提高焊接接頭的可靠性。

粗銅線鍵合技術(shù)的應(yīng)用前景

粗銅線鍵合技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在功率模塊封裝領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。隨著第三代功率半導(dǎo)體器件的廣泛應(yīng)用和功率模塊性能要求的不斷提高，粗銅線鍵合技術(shù)將成為提升模塊性能和生產(chǎn)靈活性的重要手段。未來(lái)，該技術(shù)有望在大功率、高功率密度模塊封裝領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用和推廣。

3、端子焊接

端子焊接是功率模塊封裝中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其焊接質(zhì)量直接關(guān)系到模塊的使用性能和壽命。在大功率、高電壓、大電流的應(yīng)用場(chǎng)景下，焊接質(zhì)量的重要性尤為突出。

端子焊接的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的焊料釬接連接外端子方式在面臨大功率、高電壓、大電流的應(yīng)用時(shí)存在明顯弊端。由于焊料界面的熱量積聚，當(dāng)溫度接近或超過(guò)焊料熔點(diǎn)時(shí)，焊料層會(huì)軟化并可能導(dǎo)致脫落，從而影響模塊的功能和使用壽命。

超聲波壓力焊的應(yīng)用

為了解決上述問(wèn)題，超聲波壓力焊被廣泛采用。與超聲波鍵合不同，超聲波壓力焊在能量和焊材方面有所調(diào)整，以適應(yīng)端子焊接的特殊需求。

焊材選擇：端子材料通常為銅，而DBC（Direct Bonded Copper，直接敷銅陶瓷基板）表面也是銅。由于沒(méi)有了脆弱的芯片限制，可以采用更為嚴(yán)格的焊接規(guī)范。

焊接過(guò)程：在超聲波壓力焊過(guò)程中，通過(guò)加大振幅能量和壓力，使得同種金屬（銅與銅）之間的摩擦加劇，相互間的塑性流動(dòng)更充分。在壓力作用下，金屬間形成可靠的焊點(diǎn)，從而確保焊接的牢固性和穩(wěn)定性。

超聲波壓力焊的優(yōu)勢(shì)

可靠性高：超聲波壓力焊通過(guò)充分的金屬間摩擦和塑性流動(dòng)，形成可靠的焊點(diǎn)，提高了焊接的牢固性和穩(wěn)定性。

適應(yīng)性強(qiáng)：該技術(shù)適用于大功率、高電壓、大電流的應(yīng)用場(chǎng)景，能夠滿足不同模塊對(duì)焊接質(zhì)量的要求。

工藝可控：通過(guò)調(diào)整振幅能量和壓力等參數(shù)，可以精確控制焊接過(guò)程，確保焊接質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性。

端子焊接的注意事項(xiàng)

焊接參數(shù)優(yōu)化：根據(jù)具體的模塊和應(yīng)用場(chǎng)景，優(yōu)化焊接參數(shù)（如振幅能量、壓力、焊接時(shí)間等），以確保焊接質(zhì)量。

焊接質(zhì)量檢測(cè)：對(duì)焊接后的端子進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，包括外觀檢查、力學(xué)性能測(cè)試和電性能測(cè)試等，以確保焊接質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。

焊接過(guò)程控制：在焊接過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制溫度、壓力和時(shí)間等參數(shù)，以避免焊接缺陷和不良品的產(chǎn)生。

綜上，端子焊接技術(shù)是功率模塊封裝中不可或缺的一環(huán)。通過(guò)采用超聲波壓力焊等先進(jìn)的焊接技術(shù)，可以確保焊接質(zhì)量的高可靠性和穩(wěn)定性，從而滿足大功率、高電壓、大電流應(yīng)用場(chǎng)景的需求。