1. 引言
電力電子技術的發展,對功率模塊在提高功率密度、降低損耗、擴展工作溫度范圍及提高使用壽命和可靠性方面提出更高要求。功率模塊中與散熱器之間的連接,直接決定了模塊的散熱效率和長期穩定性。傳統錫鉛焊料或無鉛焊料,由于其熔點低、導熱性差。因此,燒結銀技術以其優異的導電、導熱性能及高可靠性,成為功率模塊封裝中的理想選擇,大面積燒結銀技術,也是最具潛力的解決方案。
本文旨在探討燒結銀材料在功率模塊至散熱器系統性焊接工藝中的應用優勢及必要性,介紹焊接基本工藝方法,并分析可能出現的典型問題及其解決方案。
2. 燒結銀材料的應用優勢及必要性
2.1 大面積燒結銀工藝的優勢
2.1.1 優異的導電與導熱性能
燒結銀連接層的主要成分為銀,銀作為一種貴金屬,具有極高的導電和導熱性能。其導電率僅次于銅,而導熱率則遠高于銅,這使得功率模塊中傳導電流和熱量效率顯著提高,降低芯片溫度,提高模塊的工作效率和可靠性。
有關于同工況下,使用芯片下及系統級燒結銀連接方案,將會比單單在芯片下使用燒結銀方案,系統溫度將下降約10℃。比全軟焊料解決方案下降更多,能達到約20℃的顯著效果。
2.1.2 滿足高功率密度需求
隨著新一代SiC, IGBT芯片功率密度的進一步提高,燒結銀技術以其優異的導電、導熱性能及高可靠性,成為滿足高功率密度需求的關鍵技術之一。
2.1.3 高熔點與可靠性
銀的熔點高達961℃,遠高于傳統焊料的熔點。這意味著在高溫環境下,燒結銀連接層不易產生熔化或疲勞效應,具有極高的可靠性。
2.1.4 延長模塊使用壽命
傳統焊料在高溫波動及高功率循環條件下易產生疲勞效應,導致連接層失效,從而影響模塊的使用壽命。燒結銀技術,通過提高連接層的強度和穩定性,有效延長了功率模塊的使用壽命。
2.1.5 環境友好性
燒結銀技術不含鉛等有害物質,屬于環境友好型材料。
2.2 大面積燒結銀材料開發的挑戰
2.2.1 良好的印刷性能,能夠實現較好的印刷形狀,平整度等。
2.2.2能實現較低的應用參數條件,溫度,壓力等燒結條件,控制在較低的水平,以利于平衡其他器件的工藝窗口,實現廣泛的工藝適應性。
2.2.3能實現較強的連接可靠性,提高產品性能。
3. 焊接基本工藝方法
3.1大面積燒結銀材料主要為銀漿(銀膏)類型,適用于印刷、點涂等工藝,可以有效補償因為翹曲變形引起的各種問題。
3.2 焊接工藝流程
大面積燒結銀焊接,典型工藝流程一般包括以下幾個步驟:涂覆燒結銀材料、烘干、貼片和燒結。
3.2.1 涂覆燒結銀材料
根據工藝要求將燒結銀材料涂覆于芯片或散熱器表面,可采用印刷或點涂工藝。印刷工藝通過實驗驗證,推薦的鋼網厚度為400um或以上,因為數據顯示,這樣能夠使BLT厚度達到100um以上,而這樣的厚度才能夠保證系統級連接的可靠性和最終模塊產品壽命。
3.2.2 烘干
在燒結前進行預熱處理,以去除材料中的水分和揮發性成分,提高燒結效果。典型的烘干條件,溫度為140℃及時間20min左右,推薦使用氮氣保護。
3.2.3 貼片
3.2.4有壓燒結
在設定的溫度和壓力下對部件進行燒結處理。燒結過程中銀顆粒通過原子間的擴散形成致密的連接層。典型燒結溫度和壓力為:溫度220℃,時間5min,且施加必要的壓力,某些高效燒結銀材料可能實現空氣下燒結,使燒結工藝要求進步一降低。
4. 典型問題及解決方案
4.1 高輔助壓力對芯片的損傷
傳統燒結工藝中,需要較高的輔助壓力以加快燒結進程,但這可能對芯片造成損傷。推薦選用較低壓力的燒結銀材料或降低輔助壓力的方法。這里推薦賀利氏最新推出的mAgic PE 350燒結銀材料,其可以實現最低10mPa 的壓力燒結,幾乎與芯片燒結水平相當,甚至更低。
另外,PE350還具有良好的印刷性能,其能實現十分規則的印刷成型,以及光滑的印刷表面。
在可靠性表現上,PE350同樣表現不俗,其燒結層結構分布均勻,從器件中心切片來看,其孔隙率等表現幾乎與芯片燒結表現相近。
在某些實際應用中,通過了1000圈以上的嚴苛TST 沖擊測試,無明顯開裂失效,令人驚艷。
4.2 燒結層空洞問題
燒結過程中可能因材料分布不均、燒結條件不當等原因,導致燒結層出現空洞等缺陷。為解決這一問題,需嚴格控制燒結條件如溫度、壓力和氣氛等,并優化燒結銀材料的配方和工藝參數。賀利氏電子PE350燒結銀,在大面積燒結應用上,實現了非常理想的系統焊接表現。
此外,采用先進的檢測設備,對燒結層進行質量檢測,也是預防空洞等缺陷的有效手段。
4.3 連接層可靠性問題
連接層的可靠性,直接關系到功率模塊的使用壽命和性能穩定性。為提高連接層的可靠性,可采用雙面燒結技術或增加燒結層厚度等方法。
結論與展望
燒結銀技術作為一種新型的高可靠性連接技術,在功率模塊封裝中具有廣泛的應用前景。本文詳細介紹了燒結銀材料,在功率模塊至散熱器系統性焊接工藝中的應用優勢及必要性,闡述了焊接基本工藝方法,并分析了可能出現的典型問題及其解決方案。并推薦賀利氏電子PE350大面積燒結銀材料,其優秀的工作性,出色的連接可靠性,正逐漸從市場檢驗中嶄露頭角。未來隨著電力電子技術的不斷發展和進步,燒結銀技術將在更多領域得到應用和推廣,相信賀利氏電子PE350也會有非常廣闊的前景。同時,我們也需要不斷探索和創新燒結銀材料的配方和工藝條件,以進一步提高其性能和降低成本,滿足市場需求。（作者：賀利氏電子材料有限公司 羅金濤）
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