双面散热SiC MOSFET模块关键互连技术研究

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纳米银焊膏具有高熔点、低杨氏模量和优异的导热导电特性,使其成为宽禁带半导体器件的首选芯片互连材料。以往,纳米银与基板连接的研究主要基于镀金或者镀银基板,在增加成本的同时还产生了镀膜技术方面的问题,因此,裸铜基板的连接成为新的关注热点。然而,铜的易氧化性阻碍了纳米银与裸铜基板之间的连接,针对这一问题,本文探究合适的工艺气氛以实现功率芯片与DBC基板表面的可靠连接。首先,本文研究了不同工艺气氛下纳米银焊膏基于DBC基板的烧结机制并指导工艺曲线的优化,从而获得可靠的连接接头。结果表明,甲酸气氛辅助纳米银焊膏烧结时,甲酸通入温度200℃,烧结温度为280℃时,烧结接头孔隙率最低,性能最好(剪切强度22 MPa,孔隙率12.29%)。这与甲酸的分解机制有关,低温下主要分解产物为H2+CO2,高温下分解产物主要是CO+H2O,低温下分解出的H2具有促进纳米银致密化烧结的作用。为了提高烧结能力,改善表面氧化情况,我们采用空气气氛和甲酸气氛结合的工艺方法。试验结果显示,氧含量为100×103 ppm时,接头热、电和力学综合性能最佳(剪切强度32.5 MPa,瞬态热阻0.12℃/W,饱和压降2.01 V,基板键合强度99 gf)。微观分析说明了氧的存在是纳米银颗粒间实现致密化烧结的前提条件。其次,本文探究了引线键合工艺参数对键合质量的影响,从而获得稳固的键合点。研究表明,弧形高为1 mm,键合功率为1.2 W、键合时间为40 ms、键合压力为50 g时,引线的键合强度最高。同时各个因素对实验结果的影响程度为键合功率>键合压力>键合时间。最后,基于上述烧结工艺方法和引线键合参数,本文测试了纳米银封装双面散热SiC MOSFET模块的热学和电学性能。测试结果显示,模块热阻在0.050.1℃/W之间;模块静态耐压值为1200 V;当栅极驱动电阻为10Ω时,开通损耗Eon为82.89 mJ,关断损耗Eoff为88.97 mJ,峰值电压为708 V。结果表明制备的烧结纳米银封装SiC MOSFET模块具有良好的热学特性和电气特性,这也验证了该烧结模块在烧结工艺、结构设计以及性能上的可行性。
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