碳化硅模塊那些“難念的經(jīng)”之銀燒結(jié)設(shè)備
碳化硅模塊那些“難念的經(jīng)”之銀燒結(jié)設(shè)備
1、車企與Tier1自建模塊廠
近日，由理想汽車與三安光電共同出資組建蘇州斯科半導(dǎo)體公司，研發(fā)及生產(chǎn)基地正式落戶江蘇省蘇州高新區(qū)的新聞刷屏朋友圈。
該項(xiàng)目專注第三代半導(dǎo)體碳化硅車規(guī)芯片模組研發(fā)及生產(chǎn)。今年6月中旬啟動廠房建設(shè)，年內(nèi)竣工后進(jìn)入設(shè)備裝調(diào)，預(yù)計2023年5月啟動樣品試制，2024正式投產(chǎn)后，將逐步形成年產(chǎn)240萬只半橋生產(chǎn)能力。
在缺芯和供應(yīng)鏈降本壓力下的車企和Tier1企業(yè)，已經(jīng)幾乎都在考慮或已經(jīng)在做功率模塊了。而且，相對于IGBT功率模塊，OEM和供應(yīng)商更傾向把控SiC功率模塊的設(shè)計和封裝制造。
圖片圖源：NE時代
一直有朋友問，OEM和Tier1跨界碳化硅模塊，是因?yàn)槟K相對晶圓廠來說，技術(shù)難度更低，產(chǎn)線成本更低嗎？實(shí)際上，出了對規(guī)模成本的追求外，驅(qū)動OEM和Tier1自建模塊產(chǎn)線的因素有很多，比如新技術(shù)的需求，供應(yīng)鏈問題的刺激，對品質(zhì)的把控等。
同時，批量供應(yīng)高可靠性的碳化硅模塊，技術(shù)難度是不低的。
總所周知，不論是碳化硅模塊還是硅IGBT，電力電子發(fā)展總體目標(biāo)是提高功率（電流，電壓）——降低半導(dǎo)體控制和開關(guān)時損耗——擴(kuò)展工作溫度的范圍——提高使用壽命，穩(wěn)定性和可靠性——在降低失誤率的同時簡化控制和保護(hù)電路到最后的降低成本。
而在電動車輛中，電力電子器件必須節(jié)省空間、重量輕、并且即使在惡劣的條件下也要工作可靠。為了滿足這些要求，傳統(tǒng)基于模塊的封裝方式已經(jīng)不能適應(yīng)下游市場發(fā)展的需要，目前盡可能從機(jī)械方面集成電力電子系統(tǒng)所有的功能，碳化硅、氮化鎵（射頻／非射頻）模塊封裝也向著更高的集成度方向發(fā)展。
2、第一個難題：銀燒結(jié)技術(shù)
在芯片與基板的連接中，傳統(tǒng)有基板焊接功率模塊中，焊接連接往往是模塊上的機(jī)械薄弱點(diǎn)。由于材料的熱膨脹系數(shù)不同、高溫波動和運(yùn)行過程中的過度負(fù)載循環(huán)將導(dǎo)致焊料層疲勞，影響模塊可靠性。
目前，銀燒結(jié)技術(shù)成為國內(nèi)外第三代半導(dǎo)體封裝技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)，美國、日本等碳化硅模塊生產(chǎn)企業(yè)均采用此技術(shù)。與傳統(tǒng)的高溫?zé)o鉛釬料相比，銀燒結(jié)技術(shù)燒結(jié)連接層成分為銀，具有優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，由于銀的熔點(diǎn)高達(dá)961℃，將不會產(chǎn)生熔點(diǎn)小于300℃的軟釬焊連層中出現(xiàn)的典型疲勞效應(yīng)，具有極高的可靠性，且其燒結(jié)溫度和傳統(tǒng)軟釬焊料溫度相當(dāng)。
相比焊接模塊，銀燒結(jié)技術(shù)對模組結(jié)構(gòu)、使用壽命、散熱產(chǎn)生了重要影響，采用銀燒結(jié)技術(shù)可使模塊使用壽命提高5-10倍，燒結(jié)層厚度較焊接層厚度薄60-70%，熱傳導(dǎo)率提升3倍，國內(nèi)外諸多廠商把銀燒結(jié)技術(shù)作為第三代半導(dǎo)體封裝的核心技術(shù)，銀燒結(jié)技術(shù)成為芯片與基板之間連接的不二選擇，同時在此基礎(chǔ)上開發(fā)出雙面銀燒結(jié)技術(shù)，將銀帶燒結(jié)在芯片正面代替了鋁線，或取消底板將基板直接燒結(jié)在散熱器上，大大簡化了模塊封裝的結(jié)構(gòu)。
雙面燒結(jié)技術(shù)
芯片連接采用銀燒結(jié)合金而不是焊接，燒結(jié)連接熔點(diǎn)更高，這意味著在給定溫度擺幅下連接的老化率將低得多，功率模塊的熱循環(huán)能力可增加五倍。
目前銀燒結(jié)技術(shù)已經(jīng)由微米銀燒結(jié)進(jìn)入納米銀燒結(jié)階段，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。在銀燒結(jié)技術(shù)中，為了防止氧化和提高氧化層的可靠性，需要在基板裸銅表面先鍍鎳再鍍金或鍍銀，同時燒結(jié)溫度控制和壓力控制也是影響模組質(zhì)量的關(guān)鍵因素。
誠然，銀燒結(jié)技術(shù)具有方面的成本效益，包括高吞吐量、低資本成本、高良率和低人工成本等。時至今日，已經(jīng)有不少廠商提供采用銀燒結(jié)技術(shù)制造的功率模塊，為此提供納米銀焊料及相關(guān)材料的廠商也有一些。但事實(shí)上，設(shè)計領(lǐng)域的許多工程師并不了解半導(dǎo)體器件設(shè)計和制造的細(xì)節(jié)，特別是銀燒結(jié)技術(shù)。
當(dāng)前，銀燒結(jié)技術(shù)在發(fā)展中遇到的主要問題是：
1、銀燒結(jié)技術(shù)所用的銀漿成本遠(yuǎn)高于焊膏，銀漿成本隨著銀顆粒尺寸的減小而增加，同時基板銅層的貴金屬鍍層也增加了成本；
2、銀燒結(jié)技術(shù)需要一定的輔助壓力，高輔助壓力易造成芯片的損傷；銀燒結(jié)預(yù)熱、燒結(jié)整個過程長達(dá)60分鐘以上，生產(chǎn)效率較低；
3、銀燒結(jié)技術(shù)得到的連接層，其內(nèi)部空洞一般在微米或者亞微米級別，目前尚無有效的檢測方法。
實(shí)際上燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力、燒結(jié)氣氛都對會銀燒結(jié)環(huán)節(jié)產(chǎn)生較大影響，所以需要高質(zhì)量的設(shè)備來控制這些問題。
3、國內(nèi)外的那些銀燒結(jié)設(shè)備廠商
首先我們要介紹的肯定是Boschman Technologies。
博世曼科技是荷蘭Boschman Holding子公司，成立于1987年。2014年，Boschman Technologies成為了第一家將工業(yè)燒結(jié)機(jī)引入市場的供應(yīng)商。與主要材料供應(yīng)商（例如Alpha、Heraeus和Kyocera）一起，APC（Boschman子公司）率先推出了應(yīng)用于汽車電力電子產(chǎn)品的加壓燒結(jié)工藝。這使這幾家公司成為聯(lián)合開發(fā)碳化硅MOSFET封裝的合作伙伴并在2016年完成原型產(chǎn)品的開發(fā)。
2018年，特斯拉的Model 3采用SiC MOSFET，當(dāng)時意法半導(dǎo)體還沒有建設(shè)燒結(jié)生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施，而且許多工藝都是全新的，他們自己開發(fā)需要大量時間，為此他們找到了博世曼科技。特斯拉的早期的碳化硅模塊的組裝（燒結(jié)、焊接、引線鍵合、成型、修整和成型）和第一個原型，都由APC完成。
今年4月，有消息稱Boschman被蘇州寶士曼半導(dǎo)體設(shè)備有限公司收購，并且將在蘇州建廠。
ASMPT
ASMPT太平洋科技有限公司是全球領(lǐng)先的先進(jìn)半導(dǎo)體封裝設(shè)備及微電子封裝解決方案的最主要的供應(yīng)商，擁有超過1000多項(xiàng)半導(dǎo)體封裝技術(shù)專利，包括超薄芯片、超高精度鍵合及第三代半導(dǎo)體封裝技術(shù)等。
公司SilverSAM銀燒結(jié)設(shè)備，具備專利防氧化及均勻壓力控制技術(shù)，除確?；靖邚?qiáng)度燒結(jié)鍵合，對應(yīng)導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的要求外，更能提高IPM芯片密度的設(shè)計，并配合未來銅燒結(jié)鍵合的方向，以達(dá)到最優(yōu)化的成本效益，有效幫助SiC模塊充分發(fā)揮高功率的性能。
意大利MAX
根據(jù)AMX的說明，他們的專利壓力燒結(jié)技術(shù)允許：
.在DBC/AMC和其它電鍍基板或裸銅上燒結(jié)硅和碳化硅芯片。
.支持成片/分立燒結(jié)。
.嵌入式芯片、夾具、墊片等。
.不同材料、表面和工藝的相互作用。
新的應(yīng)用包括多級互連、集成模塊、元件連接、配電、UPS轉(zhuǎn)換和存儲、充電站、逆變器、伺服電機(jī)、雷達(dá)和傳感器等。
壓力燒結(jié)示意圖
同時，AMX為其燒結(jié)機(jī)發(fā)明了一種新型的燒結(jié)工具，即***頭（Micro-Punch），它可以以特定的壓力獨(dú)立地將每個元件（例如：熱敏電阻、IGBT、MOSFET、芯片等）壓在基板上。根據(jù)AMX的說法，***頭工具可確保壓力均勻，并消除以下高價值問題：芯片斷裂、傾斜、分層和空隙。***頭工具對芯片數(shù)量或位置沒有限制；它可以適應(yīng)任何DBC尺寸或配置，并且可以獨(dú)立沖壓最薄和最小的芯片，即使它們彼此非常接近。
除以上公司外，荷蘭的Besi Singapore、德國PINK GmbH Thermosysteme公司、以及日本的Cosmo等也已進(jìn)入銀燒結(jié)設(shè)備競爭中。
同樣，目前國產(chǎn)設(shè)備在該環(huán)節(jié)也已出現(xiàn)部分替代，去年，深圳市先進(jìn)連接科技有限公司的AS（Ag-Sintering）系列燒結(jié)設(shè)備就成功中標(biāo)“比亞迪半導(dǎo)體股份有限公司-燒結(jié)設(shè)備采購項(xiàng)目”。除此之外，嘉源昊澤、拓鼎電子等半導(dǎo)體設(shè)備公司也正在研發(fā)中。
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