SiC 功率模塊封裝材料的研究進(jìn)展

程書(shū)博，張金利，張義政，吳亞光，王 維

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050000）

在新能源汽車(chē)、軌道交通、智能電網(wǎng)和航空航天等領(lǐng)域，功率模塊正朝著高頻高速、高壓大電流、高溫、高散熱和高可靠的方向發(fā)展[1]。與Si 等第一代半導(dǎo)體材料相比，以SiC 為代表的第三代半導(dǎo)體材料具備更快的電子飽和漂移速度、更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)、更寬的禁帶寬度、更高的熱導(dǎo)率及更強(qiáng)的抗輻照等特性，可以滿(mǎn)足功率模塊的進(jìn)一步發(fā)展需求。然而，新一代SiC 功率模塊由于封裝技術(shù)的限制，尚未完全發(fā)揮出SiC 半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢(shì)[2]。因此，SiC 功率模塊封裝技術(shù)（封裝結(jié)構(gòu)和封裝材料）的相關(guān)研究非常重要。事實(shí)上，近幾年關(guān)于SiC 功率模塊封裝結(jié)構(gòu)的研究報(bào)道較多，而封裝材料的相關(guān)報(bào)道則較少。本文從封裝材料角度出發(fā)，同時(shí)結(jié)合功率模塊的發(fā)展需求，對(duì)國(guó)內(nèi)外SiC 功率模塊封裝材料的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 SiC 功率模塊封裝材料的分類(lèi)與功能

針對(duì)功率模塊的高頻高速、高壓大電流、高溫、高散熱和高可靠發(fā)展需求，SiC 功率模塊衍生出了許多先進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)。不過(guò)，封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，還需要搭配合適的封裝材料，才能充分發(fā)揮SiC 半導(dǎo)體材料的性能優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而滿(mǎn)足SiC 功率模塊的發(fā)展需求。在此以傳統(tǒng)功率模塊封裝結(jié)構(gòu)為例，將封裝材料分為陶瓷覆銅基板、散熱底板、黏結(jié)材料、互連材料和灌封材料5 大類(lèi)。如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)功率模塊封裝結(jié)構(gòu)與封裝材料

上述SiC 功率模塊封裝材料的功能羅列如下：①陶瓷覆銅基板是功率模塊的載體，通過(guò)表面的圖形化銅箔導(dǎo)體為功率器件提供電路連接，通過(guò)內(nèi)部的陶瓷將表面導(dǎo)體電路與散熱底板等金屬材料隔離絕緣，另外，其還為功率器件提供了散熱通道。因此，陶瓷覆銅基板需具備優(yōu)異的機(jī)械性能、電性能及散熱性能；②散熱底板一般與陶瓷覆銅基板相連接，以將其熱量傳遞到外界環(huán)境或者冷卻介質(zhì)中。因此，散熱底板應(yīng)具備與陶瓷覆銅基板相匹配的熱膨脹系數(shù)，且散熱性能優(yōu)異；③功率器件底面與陶瓷覆銅基板之間、陶瓷覆銅基板與散熱底板之間往往需要采用黏結(jié)材料將其連接為一體，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的機(jī)械、電或熱連接等功能。因此，黏結(jié)材料應(yīng)具備較強(qiáng)的抗蠕變和抗疲勞性能，合適的熔融溫度、電導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)，熱導(dǎo)率高，且成本低、環(huán)境友好；④功率器件頂部電極、導(dǎo)體電路、輸入/輸出端子之間一般采用互連材料形成電氣連接，因此，互連材料需具備優(yōu)異的導(dǎo)電性能，且抗疲勞性能優(yōu)異；⑤灌封材料一般為有機(jī)介質(zhì)，通過(guò)灌封工藝填充在上述材料之間，以保護(hù)功率器件、互連材料等脆弱部件免受濕氣或化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，并起到絕緣和散熱作用。因此，灌封材料需具備優(yōu)異的填充性能、耐蝕性能、絕緣性能及散熱性能。

2 SiC 功率模塊封裝材料研究進(jìn)展

2.1 陶瓷覆銅基板研究進(jìn)展

隨著SiC 功率模塊的高可靠、大電流、高散熱應(yīng)用需求，陶瓷覆銅基板開(kāi)始朝著高強(qiáng)度、高絕緣、高導(dǎo)熱和覆厚銅（0.3 mm 以上）的方向發(fā)展。在陶瓷覆銅基板中，常用的陶瓷材料包括氧化鋁、氮化鋁、ZTA 和氮化硅等。雖然氧化鋁、氮化鋁的絕緣性能好，尤其氮化鋁還具備非常高的熱導(dǎo)率，然而，這2 種陶瓷的強(qiáng)度均較低（一般低于400 MPa），不能覆接厚銅，無(wú)法滿(mǎn)足SiC功率模塊的高可靠和大電流發(fā)展趨勢(shì)。ZTA 和氮化硅的強(qiáng)度較高（一般高于600 MPa），可以通過(guò)覆接厚銅承載更大的電流，還可以通過(guò)減薄陶瓷厚度來(lái)降低熱阻，符合SiC 功率模塊的高可靠、大電流、高散熱發(fā)展趨勢(shì)。

在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，ZTA 覆銅板因成本低、可靠性高，目前在功率模塊封裝基板市場(chǎng)的占有率較高；氮化硅覆銅板因與SiC 的熱膨脹系數(shù)更匹配，而成為SiC功率模塊的首選，在SiC 功率模塊封裝基板的市場(chǎng)占有率逐年提升。事實(shí)上，這2 種陶瓷覆銅基板的優(yōu)異性能與陶瓷材料的本征特性密切相關(guān)。目前，ZTA 和氮化硅陶瓷材料的相關(guān)研究主要集中在燒結(jié)工藝和助燒劑優(yōu)化上。吳崇雋等[3]采用流延成型和常壓燒結(jié)工藝制備ZTA 陶瓷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，ZTA 陶瓷的機(jī)械性能隨著ZrO2含量的提高呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)ZrO2含量為20%時(shí)，ZTA 陶瓷的機(jī)械性能最佳，抗彎強(qiáng)度為865 MPa，斷裂韌性為5.7 MPa·m1/2。Hu 等[4]采用2 步氣壓燒結(jié)工藝來(lái)優(yōu)化氮化硅陶瓷的性能：第一步在1 525 ℃溫度下燒結(jié)3 h，促進(jìn)氮化硅的α→β 相轉(zhuǎn)變和致密化；第二步在1 850 ℃溫度下燒結(jié)3 h，抗彎強(qiáng)度達(dá)到801 MPa，熱導(dǎo)率達(dá)到79.42 W/（m·K）。Liang 等[5]在氮化硅原粉中引入MgO 和自制YB2C2（由Y2O3、B4C和C 合成）助燒劑，并采用熱壓燒結(jié)工藝在1 800 ℃/60 MPa條件下燒結(jié)2 h，氮化硅陶瓷強(qiáng)度達(dá)到1 189.6±43.7 MPa，斷裂韌性達(dá)到9.46±0.14 MPa·m1/2，熱導(dǎo)率達(dá)到77 W/（m·K）。

2.2 散熱底板研究進(jìn)展

隨著SiC 功率模塊的高溫、高散熱、高可靠應(yīng)用需求，散熱底板開(kāi)始朝著高溫適配、高導(dǎo)熱、高強(qiáng)度的方向發(fā)展。在實(shí)際應(yīng)用中，銅基散熱底板材料由于熱膨脹系數(shù)過(guò)大，在高溫條件下很容易出現(xiàn)熱應(yīng)力失效等可靠性問(wèn)題。而AlSiC 散熱底板材料不僅熱膨脹系數(shù)可調(diào)，而且熱導(dǎo)率大、強(qiáng)度高，符合SiC 功率模塊的高溫、高散熱、高可靠發(fā)展趨勢(shì)。

目前AlSiC 散熱底板材料的相關(guān)研究主要集中在制備方法上，可分為兩大類(lèi)：原位合成法和外加法。其中，原位合成法是在制備過(guò)程中通過(guò)化學(xué)反應(yīng)原位生成增強(qiáng)體，增強(qiáng)體細(xì)小均勻，且與基體相容性良好。外加法包括真空壓力滲透法、熔融超高熱等靜壓法、粉末冶金法和擠壓鑄造法等，可將增強(qiáng)體直接加入基體中，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單可控，但增強(qiáng)體與基體之間的浸潤(rùn)性差，界面結(jié)合較弱。章呈[6]采用無(wú)壓燒結(jié)和SPS 燒結(jié)相結(jié)合的工藝，原位合成AlSiC 材料（SiC 含量20%），抗拉強(qiáng)度為172 MPa，熱導(dǎo)率約140 W/（m·K）。王書(shū)唯等[7]采用干粉模壓成型工藝制備碳化硅多孔預(yù)制坯，再通過(guò)真空壓力滲鋁法制備AlSiC 材料，熱導(dǎo)率為（176～206）W/（m·K），熱膨脹系數(shù)為（8～9.5）/×10-6K，符合功率模塊的應(yīng)用需求。徐廣等[8]采用熔融超高熱等靜壓法，制得表面覆有鋁金屬的鋁碳化硅材料，熱導(dǎo)率達(dá)到220 W/（m·K），熱膨脹系數(shù)為（6.5～7.5）/×10-6K。

2.3 黏結(jié)材料研究進(jìn)展

隨著SiC 功率模塊的高溫、高可靠應(yīng)用需求，黏結(jié)材料開(kāi)始朝著耐高溫、高界面強(qiáng)度的方向發(fā)展。此處的黏結(jié)材料主要用于功率器件底部與陶瓷覆銅基板的界面、陶瓷覆銅基板與散熱底板的界面。隨著無(wú)鉛化的環(huán)保要求，Sn-Ag-Cu 替代Pb-Sn 被廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)[9]，然而，在功率模塊應(yīng)用時(shí)，Sn-Ag-Cu 具有如下缺點(diǎn)：不耐高溫（回流溫度為220～260 ℃）；不耐腐蝕，且容易產(chǎn)生錫須和金屬間化合物，無(wú)法滿(mǎn)足SiC 功率模塊的高溫、高可靠發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)上述問(wèn)題，納米金屬黏結(jié)材料和瞬態(tài)液相黏結(jié)（TLP）材料應(yīng)運(yùn)而生。納米金屬黏結(jié)材料基于納米材料的尺寸效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)低溫黏結(jié)、高溫服役的功能，最常見(jiàn)的是納米銀漿；瞬態(tài)液相黏結(jié)材料在高溫加熱時(shí)形成少量液相，可與母材形成黏結(jié)界面，包括Ag-Sn、Cu-Sn、Au-Sn、Au-In 和Ag-In 等。

目前，在功率模塊中廣泛應(yīng)用的納米銀漿具備優(yōu)異的機(jī)械、熱和抗蠕變性能，但存在高成本、多孔洞、裸銅黏結(jié)困難等缺點(diǎn)[10]。針對(duì)納米銀漿的高成本問(wèn)題，Zuo等[11]將20 nm 和100 nm 的納米銅粉進(jìn)行級(jí)配，制得低成本的納米銅漿，在250 ℃/4 MPa/20 min 條件下，黏結(jié)界面的剪切強(qiáng)度達(dá)到15 MPa。針對(duì)納米銀漿的孔洞問(wèn)題，Wei 等[12]在Ag-Sn 微米級(jí)合金粉中加入有機(jī)添加劑，制得低孔洞Ag-Sn 黏結(jié)材料，在300 ℃/20 MPa/30 min條件下，黏結(jié)界面的剪切強(qiáng)度達(dá)到32 MPa，孔洞率低于4%；并且，經(jīng)過(guò)2 000 h 高溫貯存后，黏結(jié)界面的剪切強(qiáng)度和孔洞率沒(méi)有明顯變化。針對(duì)納米銀漿裸銅黏結(jié)困難問(wèn)題，Liu 等[13]先采用十八烷基硫醇（ODT）包覆DBC 陶瓷覆銅基板，而后采用納米銀漿在大氣環(huán)境下進(jìn)行裸銅黏結(jié)，在280 ℃/2 MPa/30 min 條件下，黏結(jié)界面的剪切強(qiáng)度達(dá)到12.72 MPa。

2.4 互連材料研究進(jìn)展

隨著SiC 功率模塊的高頻高速、高可靠應(yīng)用需求，互連材料開(kāi)始朝著低寄生電感、抗電遷移、熱膨脹系數(shù)匹配的方向發(fā)展。此處的互連材料指功率器件上表面電極與陶瓷覆銅基板或端子間的電互連。傳統(tǒng)功率模塊一般采用引線(xiàn)鍵合的方式進(jìn)行互連，但引線(xiàn)鍵合因寄生電感大，容易出現(xiàn)開(kāi)關(guān)損耗和電壓突增現(xiàn)象，不符合SiC 功率模塊的高頻高速發(fā)展趨勢(shì)。事實(shí)上，互連材料本身對(duì)寄生電感的影響不大，但可以采用平面互連等新結(jié)構(gòu)去減弱寄生電感的影響。Al 是常用的功率模塊互連材料，但容易因電遷移而產(chǎn)生空洞等缺陷，進(jìn)而引發(fā)互連可靠性問(wèn)題。與Al 材料相比，Cu 互連材料不僅電阻率低、熔點(diǎn)高、載流能力強(qiáng)，還具備較好的抗電遷移性能，符合SiC 功率模塊的高可靠發(fā)展需求。同時(shí)，Cu 互連材料與新型平面互連結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可大大降低功率模塊的寄生電感。除此之外，在一些雙面散熱封裝結(jié)構(gòu)中，功率器件的上表面電極還會(huì)通過(guò)墊塊或墊片等與對(duì)面的覆銅板形成電互連。劉文[14]在雙面散熱功率模塊中采用鍍銀Mo 塊，代替鋁線(xiàn)將功率器件與覆銅板形成電氣連接，這里的Mo 塊不僅與器件的熱膨脹系數(shù)匹配，還因彈性模量較大、不易變形，能夠有效地緩解應(yīng)力。

2.5 灌封材料研究進(jìn)展

隨著SiC 功率模塊的高壓、高溫、高可靠應(yīng)用需求，灌封材料開(kāi)始朝著耐高壓、耐高溫、高強(qiáng)度的方向發(fā)展。功率模塊中常用的灌封材料是環(huán)氧樹(shù)脂和有機(jī)硅材料，其中，環(huán)氧樹(shù)脂存在耐熱性差、脆性大、光照易黃變等問(wèn)題，不符合SiC 功率的高溫和高可靠發(fā)展趨勢(shì)。而有機(jī)硅凝膠具有高絕緣、耐高溫、耐濕/光性，且楊氏模量小、熱應(yīng)力低的特性，非常適合SiC 功率模塊的高壓、高溫、高可靠應(yīng)用需求。

目前有機(jī)硅灌封材料主要從改性角度來(lái)提高材料的本征性能，比如主鏈改性、填料改性等。Zhang 等[15]在有機(jī)硅中引入B 元素，使其與主鏈中的硅氧鍵共價(jià)結(jié)合，改善其熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能，熱分解溫度達(dá)到675 ℃，抗拉強(qiáng)度達(dá)到4.65 MPa。陳向榮等[16]在有機(jī)硅中引入硅烷偶聯(lián)劑改性納米氮化鋁填料，經(jīng)過(guò)250 ℃/500 h老化實(shí)驗(yàn)后，未添加填料的均開(kāi)裂，擊穿場(chǎng)強(qiáng)由47.27 kV/mm 降至23.48 kV/mm；添加量3%的均不開(kāi)裂，擊穿場(chǎng)強(qiáng)由43.61 kV/mm 提升到52.02 kV/mm；王鑫等[17]在有機(jī)硅中引入改性氫氧化鈣粉體填料，改善了硅橡膠的機(jī)械性能，抗拉強(qiáng)度由6.83 MPa 提高到7.55 MPa。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于SiC 功率模塊的高頻高速、高壓大電流、高溫、高散熱和高可靠應(yīng)用需求，SiC 功率模塊封裝材料也在不斷地更新迭代：在陶瓷覆銅基板領(lǐng)域，ZTA 覆銅板和氮化硅覆銅板通過(guò)助燒劑和燒結(jié)工藝優(yōu)化，朝著高強(qiáng)度、高絕緣、高導(dǎo)熱和覆厚銅的方向發(fā)展；在散熱底板領(lǐng)域，鋁碳化硅材料通過(guò)嘗試不同制備方法，朝著高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱、熱膨脹系數(shù)匹配的方向發(fā)展；在黏結(jié)材料領(lǐng)域，納米銅漿和瞬時(shí)液相黏結(jié)材料可彌補(bǔ)納米銀漿的短板，朝著低成本、少孔洞、裸銅黏結(jié)的方向發(fā)展；在互連材料領(lǐng)域，Cu、Mo 等互連材料與新的封裝結(jié)構(gòu)相結(jié)合，朝著低寄生電感、抗電遷移、熱膨脹系數(shù)匹配的方向發(fā)展；在灌封材料領(lǐng)域，有機(jī)硅通過(guò)主鏈改性、填料改性等方式，朝著耐高壓、耐高溫、高強(qiáng)度的方向發(fā)展。隨著封裝材料的不斷深入研究，SiC 功率模塊將逐步實(shí)現(xiàn)高性能、規(guī)?；瘧?yīng)用。