TPAK SiC優(yōu)選解決方案：有壓燒結銀+銅夾Clip無壓燒結銀

第三代半導體以及新能源汽車等新興電力電子領域的出現(xiàn)和發(fā)展，對于功率模塊的發(fā)展不僅僅停留在芯片技術的迭代，同時為了滿足更高的需求。性能取決于封裝技術的高占比率，汽車行業(yè)對于成本效率、可靠性和緊湊性有著很高的要求，新的封裝技術和工藝日益浮出水面。

相比之前的標準化模塊封裝，近年來各具特色的模塊封裝類型都慢慢發(fā)展起來，比如：DCM、HPD和TPAK等等。并且其中細節(jié)部分也有著不一樣的改進，如DBB技術、Cu-Clip技術、激光焊接、SKiN、單/雙面水冷、銀燒結、銅燒結等等，無疑給模塊封裝技術增添了更多組合的可能，以應對不同的性價比和應用。

在IGBT的封裝失效模式中，焊料的疲勞和鍵合線故障導致的失效是器件失效的兩大主要原因。在IGBT多層結構中，芯片下方的散熱通道是散熱的主要途徑，芯片下面焊料是其中的重要組成部分，也是較容易發(fā)生焊料疲勞退化的位置。

一 傳統(tǒng)焊料缺點

傳統(tǒng)釬焊料熔點低、導熱性差，在工作期間產生的熱循環(huán)過程中，由于材料間CTE差異，在材料間產生交變的剪切熱應力，在應力的連續(xù)作用下，容易導致焊料層疲勞老化、產生裂紋，進而發(fā)展為材料分層，由于裂紋和分層的產生，焊料層與各層材料間的接觸面積減小，熱阻變大，加速了焊料層的失效，難以滿足車規(guī)高功率SiC器件封裝的可靠性及其高溫應用要求。

二 鋁線鍵合缺點

由于鋁及其合金價格低、熱導率高，25℃時為237（W/mK），鋁線鍵合是目前模塊封裝中應用較廣泛的一種芯片互連技術。但由于鋁的熱膨脹系數(shù)23.2×10-6K-1與硅芯片的熱膨脹系數(shù)4．1×10-6K-1相差較大，在長時間的功率循環(huán)過程中容易產生大量熱量并積累熱應力，引起鍵合線斷裂或鍵合接觸表面脫落，導致模塊失效。在電流輸出能力要求較高的情況下，芯片表面鍵合引線的數(shù)目過多，會引起較大的雜散電感，同時對電流均流也有一定影響。

三 燒結銀AS9386+銅Clip優(yōu)點

為解決高功率密度車用模塊中芯片下面焊料疲勞與鍵合線故障問題，善仁新材針對Tpak SiC封裝，為客戶提供了一個創(chuàng)新的材料解決方案：有壓燒結銀AS9386+銅Clip方案。芯片與AMB間的連接采用燒結銀AS9386代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊料，5mm*5mm碳化硅芯片推薦燒結銀BLT厚度30UM左右。銀的熔點高達961℃，不會產生熔點小于300℃的軟釬焊連接層中出現(xiàn)的典型疲勞效應，大幅提高了模塊的功率循環(huán)能力；芯片上表面采用無壓燒結銀AS9330焊接銅Clip的一體化leadframe替代鋁線鍵合，可以減小模塊內部的雜散電感，提升了芯片表面電流的均流性，增強了模塊整體的過流能力。銅比鋁更優(yōu)異的導熱能力，也提升了模塊整體的散熱能力。有效地提升了模塊整體的出流能力和可靠性。

推薦：1使用較薄的Clip，建議厚度0.5-1.0mm之間，連接的位置熱機械應力會更小，但滿足必要的載流能力的同時，盡量使用較薄的Clip。

2可以通過開孔來緩解應力，孔的形狀大小和芯片接觸的邊緣位置又有所考究，這需要結合實際來具體設計完善的。

3 推薦TPAK模塊在內外部都采用了燒結銀（sintering）作為連接方式。模塊內部，芯片通過銀燒結層與AMB相連，代替錫焊層。在模塊外部，TPAK的底板也燒結到散熱器上，代替導熱膏涂層。兩者共同作用，不僅使得系統(tǒng)的散熱能力上了一個臺階，而且TPAK本身的可靠性，特別是功率循環(huán)次數(shù)，也獲得了很大提高。另外，散熱性能的提高意味著同樣尺寸的芯片可以在限定的結溫下輸出更大的電流，或是輸出同樣的電流下用較小尺寸的芯片，實現(xiàn)芯片降本。

四 測試數(shù)據(jù)

按照AQG-324標準，獲取模塊在隨機激勵條件下的振動頻率，研究銅夾Clip方案模塊被迫抵抗外部隨機振動的能力與結構設計合理性。

根據(jù)仿真結果：模塊整體應力較小，較大應力出現(xiàn)在與塑封體相交的銅排端子處部位，其中較大應力不超38MPa，安全系數(shù)取1.35，滿足安全使用條件。

在對應PSD頻譜作用下，模塊較易損壞的部分是與塑封相交的銅排端子處部位，與模型的應力分布相吻合，其中模塊較低壽命為9.9×104s滿足22h要求。電感部分對模塊整體電感進行仿真，仿真結果模塊電感4.9nH滿足設計要求。

前期驗證考慮芯片較大結溫是否滿足芯片耐受溫度。使用軟件PLECS，依據(jù)數(shù)據(jù)手冊計算相應芯片損耗，根據(jù)熱仿真結果芯片較高溫度小于140℃，滿足設計要求。

總的來說，善仁新材推出的車規(guī)級SIC Tpak器件材料解決方案：采用有壓燒結銀AS9386和銅夾Clip無壓燒結銀技術實現(xiàn)了高可靠性、低熱阻、低雜散電感器件設計。銀燒結技術使用銀漿替代傳統(tǒng)焊料，降低模塊整體熱阻，提高芯片和AMB互連的可靠性，有效增強模塊的功率循環(huán)能力。銅夾Clip技術利用Leadframe一體化的銅排代替鍵合鋁線，可以有效地減小模塊內部雜散電感，擁有更高的電流輸出能力的同時可以增強芯片的散熱，提高模塊的可靠性。