封裝材料的性能是決定模塊性能的基礎，因此封裝材料的選擇對整個功率器件的可靠性至關重要。6月29日，2023年 IGBT 產業(yè)論壇順利在昆山舉辦！會上，晨日科技市場部經理王超先生為我們帶來《IGBT封裝材料解決方案》的主題報告分享。
△晨日科技市場部經理王超
功率半導體封裝的發(fā)展：更耐高溫、更耐高壓、更高功率密度、更高頻率、更高可靠性、個性化定制，晨日科技推出先進封裝材料應用在IGBT單管、IGBT模塊、SiC芯片封裝領域。
1、IGBT單管封裝技術與材料
常用的單管封裝常用的有3種材料，導電膠、焊錫絲和錫膏。
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導電膠不需要清洗，比較干凈，易打線，缺點是成本高，電導力、熱導力就比較低，應用場景較為局限；
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焊錫絲是最傳統(tǒng)的單管封裝金屬材料，但不環(huán)保且作業(yè)性差，目前還有一定的應用；
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錫膏的綜合作業(yè)效率、成本優(yōu)勢比較高。
晨日科技自 2004 年成立，一直深耕于分立器件行業(yè)。晨日科技已經為IGBT單管封裝開發(fā)了一系列高鉛錫膏，它由高鉛合金粉和錫膏助焊劑組成，應用在各種應用場景，尤其是點膠方面，晨日科技處于絕對的領先地位，此外在半導體針轉移、SMT印刷，有高活性要求的鍍鎳芯片焊接等方面已經實現(xiàn)產品應用。
IGB模塊封裝主要有兩種封裝材料：焊片和錫膏，針對不同的應用場景，選擇的材料不一樣。如下圖橙色部分，IGBT芯片封裝到陶瓷襯板上時，常用的是高鉛或無鉛的錫膏；陶瓷襯板封裝到散熱基板上時，主要應用的材料是焊片，也有部分會用到無鉛錫膏。
晨日科技主要提供的材料是水洗錫膏，具有批量操作、印刷操作性強、降低成本等優(yōu)勢，同時晨日科技也在積極開發(fā)免洗的、超低或極低殘留的錫膏，以更好的賦能IGBT模塊企業(yè)。晨日ES-W800在客戶端做了很多驗證測試，具有印刷效果良好、焊接狀態(tài)良好、空洞率低、殘留物可清洗干凈等優(yōu)點。
基于之前的開發(fā)經驗，晨日科技針對IGBT模塊開發(fā)了GT-40有機硅凝膠產品，該產品固化后會形成柔軟的彈性體，具有絕緣性佳、應力低、耐溫范圍廣、防水防潮等優(yōu)點，目前已經和IGBT廠商合作在黏度、高低溫應用環(huán)境下進行測試，目前已經在頭部企業(yè)進行驗證測試。
隨著新興戰(zhàn)略產業(yè)的發(fā)展對第3代寬禁帶功率半導體碳化硅材料和芯片的應用需求，國內外模塊封裝技術也得到迅速發(fā)展，追求低雜散參數(shù)、小尺寸的封裝技術成為封裝的密切關注點，國內外科研團隊和半導體產業(yè)設計了結構各異的高性能功率模塊，提升了SiC基控制器的性能。
隨著行業(yè)的無鉛化發(fā)展，以及碳化硅、氮化鎵等第三代半導體材料的優(yōu)異性能實現(xiàn)更高的工作溫度和功率密度，常規(guī)錫基無鉛焊料已經難以滿足行業(yè)的需求，納米燒結銅開發(fā)難度極大，燒結銀材料成本高，且存在可靠性銀遷移的擔憂，在這種情況下，晨日科技與日本企業(yè)聯(lián)合開發(fā)新型低成本高溫無鉛納米Cu6Sn5基錫銅復合焊料，該焊料采用特殊的一種霧化工藝，制作出超微的Cu6Sn5組織分布非常均勻，且含量非常高的粉，然后將粉制成需要的膏體或焊片加以應用。
在對碳化硅芯片進行焊接的時候，觀察組織結構，淺顏色的為Sn 母相，深顏色為Cu6Sn5 IMC組織，Cu6Sn5為什么能夠用在這里面？因為Cu6Sn5本來就是常規(guī)的普通含銀焊料的界面材料，銅基板常規(guī)錫基焊料界面會有Cu6Sn5組織，甚至在更長期的情況下會出現(xiàn)Cu3Sn的組織，這種組織的出現(xiàn)是很好的，能夠提高它的可靠性。另外因為Cu6Sn5的熔點為 415℃，材料的耐高溫特性能夠適用于行業(yè)中，Cu6Sn5組織能夠起到熱和力，還有導電的性能。
在 40?℃~175 ℃的超聲掃描測試，對Cu6Sn5 IMC材料和Sn10Sb、92.5Pb5Sn2.5Ag常規(guī)產品進行了一些對比，可以看到Cu6Sn5 IMC材料超聲掃描的結果非常好。另外也做了一些切片分析，在比較苛刻的冷熱循環(huán)條件下，Cu6Sn5 IMC材料界面形狀結構非常好，而常規(guī)的焊料則會出現(xiàn)開裂、空洞現(xiàn)象。綜合目前幾個主流材料來看，晨日科技新開發(fā)的Cu6Sn5 IMC焊料價格適宜，能夠滿足行業(yè)的需求。
本文來源：深圳市晨日科技股份有限公司《IGBT封裝材料解決方案》主題報告分享，關注公眾號，回復關鍵詞“20230629”即可觀看演講視頻。
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦半導體網(wǎng)）：半導體功率器件先進封裝材料解決方案
