摘要：對(duì)功率半導(dǎo)體模塊封裝材料國(guó)產(chǎn)化及進(jìn)行了展望，分享了部分對(duì)國(guó)產(chǎn)封裝材料的研究情況，包括國(guó)產(chǎn)有機(jī)硅凝膠、環(huán)氧灌封膠以及一體化金屬基板的簡(jiǎn)單封裝測(cè)試，對(duì)功率半導(dǎo)體模塊封裝材料國(guó)產(chǎn)化進(jìn)行了有益探索。
有機(jī)硅凝膠是一種存在“液體”和“固體”兩種相態(tài)的“固液共存”的特殊硅橡膠，其楊氏模量極小，具有高彈性和低應(yīng)力特點(diǎn)，同時(shí)又由于分子結(jié)構(gòu)中既含有“有機(jī)基團(tuán)”，又含有“無(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)”，使其集有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的功能特性于一體，具有較好的耐溫性、耐候性和絕緣性，非常適合應(yīng)用于功率半導(dǎo)體模塊的封裝。閱讀文章前，歡迎識(shí)別二維碼加入艾邦I(lǐng)GBT產(chǎn)業(yè)鏈微信群及通訊錄。
環(huán)氧樹脂作為一種重要絕緣材料被應(yīng)用于大功率IGBT模塊封裝中，對(duì)模塊的絕緣性和可靠性具有重要影響。隨著新一代半導(dǎo)體器件封裝技術(shù)的發(fā)展，對(duì)封裝材料的要求也越來(lái)來(lái)高，傳統(tǒng)有機(jī)硅凝膠在大功率模塊封裝中的應(yīng)用也受到了挑戰(zhàn)，環(huán)氧樹脂封裝成為理想的封裝方案，也給傳統(tǒng)的環(huán)氧灌封帶來(lái)了新的市場(chǎng)機(jī)遇。
SLC封裝技術(shù)（SoLid Cover）是集合了一體化絕緣金屬基板（Insulated Metal Baseplate，IMB）和直接樹脂灌封（Direct Potting Resin，DP Resin）的新型封裝技術(shù)，該封裝技術(shù)引入的IMB基板去掉了絕緣層與銅底板之間的焊接層，從而消除了由于溫度波動(dòng)導(dǎo)致的熱疲勞點(diǎn)，同時(shí)引入的DP樹脂可加固芯片上表面綁定線，極大提高了模塊的熱循環(huán)能力；此外還對(duì)模塊內(nèi)部各種材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，從而進(jìn)一步提升了模塊的熱循環(huán)壽命。
對(duì)功率半導(dǎo)體模塊封裝材料國(guó)產(chǎn)化及進(jìn)行了展望，分享了部分對(duì)國(guó)產(chǎn)封裝材料的研究情況。
功率模塊封裝材料大致可分為三大類，分別是有機(jī)材料、金屬材料和陶瓷材料。
功率半導(dǎo)體模塊封裝材料主要國(guó)外供應(yīng)商以美、德、日為主。
功率模塊封裝材料在一定程度上決定了模塊的可靠性，因此封裝材料國(guó)產(chǎn)化勢(shì)在必行。
從材料的熱應(yīng)力方面考慮，有機(jī)硅凝膠的熱應(yīng)力極小，關(guān)注由于溫度導(dǎo)致的熱應(yīng)力失效并無(wú)意義，因此重點(diǎn)應(yīng)該關(guān)注的還是有機(jī)硅凝膠的耐高溫性。
抽取若干個(gè)有機(jī)硅凝膠樣品耐高溫測(cè)試；測(cè)試200℃下1000h高溫老化后外觀。
有機(jī)硅凝膠樣品高溫滲油性評(píng)估。
對(duì)有機(jī)硅凝膠樣品高溫老化前后阻尼性和粘附性評(píng)估。
有機(jī)硅凝膠樣品模塊灌封：選擇類似于EconoPACK封裝形式；灌封尺寸約110*57.5*5mm；所有DBC采用SnAgCu焊料，DBC上銅層全部通過12mil粗鋁線短接；評(píng)估在劇烈溫度變化下有機(jī)硅凝膠與基板、側(cè)框以及襯板的相互影響。
SLC（SoLid Cover）封裝技術(shù)：在模塊封裝中同時(shí)采用環(huán)氧樹脂（Direct Potting resin，DP）和絕緣金屬基板（Insulated Metal Baseplate，IMB）封裝，極大提高模塊熱沖擊和熱循環(huán)能力；SLC模塊采用IMB基板，無(wú)DBC，縮減了焊層，簡(jiǎn)化了模塊封裝工藝；IMB基板金屬層可采用銅、鋁等，基板尺寸更薄，能有效減輕模塊整體重量，可實(shí)現(xiàn)模塊的輕量化和高可靠性
選取IMB銅基板和IMB鋁基板分別進(jìn)行封裝。
選取兩種環(huán)氧樹脂分別對(duì)模塊進(jìn)行灌封。
對(duì)封裝工藝、封裝效果、模塊基本電特性進(jìn)行了測(cè)試；目前已經(jīng)完成模塊可靠性測(cè)試。
檢測(cè)SLC模塊缺陷；檢測(cè)封裝后基板、芯片等情況
測(cè)試環(huán)氧樹脂與IMB基板匹配性；受材料CTE值匹配度影響：1#樹脂與IMB銅基板匹配度較好；2#樹脂與IMB鋁基板匹配度較好。
對(duì)未分層SLC模塊進(jìn)行靜態(tài)電特性測(cè)試；IMB銅基板+1#環(huán)氧樹脂模塊靜態(tài)測(cè)試正常；IMB銅基板+2#環(huán)氧樹脂模塊上橋IDSS偏大；后續(xù)將對(duì)所有模塊進(jìn)行溫度沖擊等測(cè)試再進(jìn)行電特性測(cè)試。
總結(jié)與展望，需要對(duì)國(guó)產(chǎn)封裝材料進(jìn)行材料研究、機(jī)理研究及應(yīng)用研究，并進(jìn)行材料驗(yàn)證、工藝驗(yàn)證和模塊測(cè)試；但目前來(lái)看，國(guó)產(chǎn)封裝材料測(cè)試平臺(tái)、工藝驗(yàn)證平臺(tái)和模塊驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)都是明顯缺乏的，這需要國(guó)產(chǎn)封裝材料開發(fā)人的信心、封裝企業(yè)的信心和模塊應(yīng)用端企業(yè)的信心才能真正推動(dòng)大功率半導(dǎo)體模塊封裝國(guó)產(chǎn)材料的全方位發(fā)展。
筆者介紹：
理工男，湖南株洲人，漢族，高級(jí)工程師。長(zhǎng)期從事功率半導(dǎo)體封裝用高分子材料研究與開發(fā)。
曾就職中國(guó)中車、中國(guó)化工等公司。
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：功率半導(dǎo)體模塊封裝材料國(guó)產(chǎn)化及展望
