大面积烧结银在功率模块系统性焊接中的应用

—— 贺利氏电子材料有限公司  罗金涛

1. 引言

电力电子技术的发展,对功率模块在提高功率密度、降低损耗、扩展工作温度范围及提高使用寿命和可靠性方面提出更高要求。功率模块中与散热器之间的连接,直接决定了模块的散热效率和长期稳定性。传统锡铅焊料或无铅焊料,由于其熔点低、导热性差。因此,烧结银技术以其优异的导电、导热性能及高可靠性,成为功率模块封装中的理想选择,大面积烧结银技术,也是最具潜力的解决方案。

本文旨在探讨烧结银材料在功率模块至散热器系统性焊接工艺中的应用优势及必要性,介绍焊接基本工艺方法,并分析可能出现的典型问题及其解决方案。

2. 烧结银材料的应用优势及必要性

2.1 大面积烧结银工艺的优势

2.1.1 优异的导电与导热性能

烧结银连接层的主要成分为银,银作为一种贵金属,具有极高的导电和导热性能。其导电率仅次于铜,而导热率则远高于铜,这使得功率模块中传导电流和热量效率显著提高,降低芯片温度,提高模块的工作效率和可靠性。

有关于同工况下,使用芯片下及系统级烧结银连接方案,将会比单单在芯片下使用烧结银方案,系统温度将下降约10℃。比全软焊料解决方案下降更多,能达到约20℃的显著效果。

2.1.2 满足高功率密度需求

随着新一代SiC, IGBT芯片功率密度的进一步提高,烧结银技术以其优异的导电、导热性能及高可靠性,成为满足高功率密度需求的关键技术之一。

2.1.3 高熔点与可靠性

银的熔点高达961℃,远高于传统焊料的熔点。这意味着在高温环境下,烧结银连接层不易产生熔化或疲劳效应,具有极高的可靠性。

2.1.4 延长模块使用寿命

传统焊料在高温波动及高功率循环条件下易产生疲劳效应,导致连接层失效,从而影响模块的使用寿命。烧结银技术,通过提高连接层的强度和稳定性,有效延长了功率模块的使用寿命。

2.1.5 环境友好性

烧结银技术不含铅等有害物质,属于环境友好型材料。

2.2 大面积烧结银材料开发的挑战

2.2.1 良好的印刷性能,能够实现较好的印刷形状,平整度等。

2.2.2能实现较低的应用参数条件,温度,压力等烧结条件,控制在较低的水平,以利于平衡其他器件的工艺窗口,实现广泛的工艺适应性。

2.2.3能实现较强的连接可靠性,提高产品性能。

3. 焊接基本工艺方法

3.1大面积烧结银材料主要为银浆(银膏)类型,适用于印刷、点涂等工艺,可以有效补偿因为翘曲变形引起的各种问题。

3.2 焊接工艺流程

大面积烧结银焊接,典型工艺流程一般包括以下几个步骤:涂覆烧结银材料、烘干、贴片和烧结。

3.2.1 涂覆烧结银材料

根据工艺要求将烧结银材料涂覆于芯片或散热器表面,可采用印刷或点涂工艺。印刷工艺通过实验验证,推荐的钢网厚度为400um或以上,因为数据显示,这样能够使BLT厚度达到100um以上,而这样的厚度才能够保证系统级连接的可靠性和最终模块产品寿命。

3.2.2 烘干

在烧结前进行预热处理,以去除材料中的水分和挥发性成分,提高烧结效果。典型的烘干条件,温度为140℃及时间20min左右,推荐使用氮气保护。

3.2.3 贴片

3.2.4有压烧结

在设定的温度和压力下对部件进行烧结处理。烧结过程中银颗粒通过原子间的扩散形成致密的连接层。典型烧结温度和压力为:温度220℃,时间5min,且施加必要的压力,某些高效烧结银材料可能实现空气下烧结,使烧结工艺要求进步一降低。

4. 典型问题及解决方案

4.1 高辅助压力对芯片的损伤

传统烧结工艺中,需要较高的辅助压力以加快烧结进程,但这可能对芯片造成损伤。推荐选用较低压力的烧结银材料或降低辅助压力的方法。这里推荐贺利氏最新推出的mAgic PE 350烧结银材料,其可以实现最低10mPa 的压力烧结,几乎与芯片烧结水平相当,甚至更低。

另外,PE350还具有良好的印刷性能,其能实现十分规则的印刷成型,以及光滑的印刷表面。

在可靠性表现上,PE350同样表现不俗,其烧结层结构分布均匀,从器件中心切片来看,其孔隙率等表现几乎与芯片烧结表现相近。

在某些实际应用中,通过了1000圈以上的严苛TST 冲击测试,无明显开裂失效,令人惊艳。

4.2 烧结层空洞问题

烧结过程中可能因材料分布不均、烧结条件不当等原因,导致烧结层出现空洞等缺陷。为解决这一问题,需严格控制烧结条件如温度、压力和气氛等,并优化烧结银材料的配方和工艺参数。贺利氏电子PE350烧结银,在大面积烧结应用上,实现了非常理想的系统焊接表现。

此外,采用先进的检测设备,对烧结层进行质量检测,也是预防空洞等缺陷的有效手段。

4.3 连接层可靠性问题

连接层的可靠性,直接关系到功率模块的使用寿命和性能稳定性。为提高连接层的可靠性,可采用双面烧结技术或增加烧结层厚度等方法。

结论与展望

烧结银技术作为一种新型的高可靠性连接技术,在功率模块封装中具有广泛的应用前景。本文详细介绍了烧结银材料,在功率模块至散热器系统性焊接工艺中的应用优势及必要性,阐述了焊接基本工艺方法,并分析了可能出现的典型问题及其解决方案。并推荐贺利氏电子PE350大面积烧结银材料,其优秀的工作性,出色的连接可靠性,正逐渐从市场检验中崭露头角。未来随着电力电子技术的不断发展和进步,烧结银技术将在更多领域得到应用和推广,相信贺利氏电子PE350也会有非常广阔的前景。同时,我们也需要不断探索和创新烧结银材料的配方和工艺条件,以进一步提高其性能和降低成本,满足市场需求。