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車規(guī)模塊系列(五):DBB/銅綁定技術

01/06 10:25
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銅綁定,一種芯片互連技術

上篇我們聊了聊關于Cu-Clip技術,今天我們回到綁定線,聊一聊之前我們DCM1000系列談及的銅綁定技術。

寫在開頭

我們可以看到,在早些年,功率模塊的發(fā)展主要以芯片的發(fā)展為主,例如從IGBT3到IGBT7,至少在IGBT4之前我們沒有看到市面上出現(xiàn)太多的封裝技術的重大革新,主要還是由于它們能夠滿足當時的市場需求。當第三代半導體(其實早就開始研究了)以及新能源汽車等新興電力電子領域的出現(xiàn)和發(fā)展,對于功率模塊的發(fā)展不僅僅停留在芯片技術的迭代,同時為了滿足更高的需求。性能取決于封裝技術的高占比率,汽車行業(yè)對于成本效率、可靠性和緊湊性有著很高的要求,新的封裝技術和工藝日益浮出水面,可能它們早就在“水底”孕育了很久。

相比于之前的標準化模塊封裝,近年來各具特色的模塊封裝類型都慢慢映入眼簾,就好比之前我們聊到的DCM、HPD和TPAK等等。并且其中細節(jié)部分也有著不一樣的改進,如DBB技術、Cu-Clip技術、激光焊接、SKiN、單/雙面水冷、銀燒結、銅燒結等等,無疑給模塊封裝技術增添了更多組合的可能,以應對不同的性價比和應用。

今天我們就來聊聊銅綁定,以一篇丹佛斯硅動力的一篇論文來看看這個工藝的特點。

DBB技術

相對于傳統(tǒng)的鋁綁定線工藝,銅綁定線需要對芯片表面進行要求更高的金屬化,而丹佛斯鍵合緩沖Danfoss Bond Buffer (DBB)技術就是為了銅綁定線進行的表面處理。

在模塊生產(chǎn)制造過程中,在芯片頂部額外地燒結一層銅層,防止芯片在超聲波焊接過程中開裂,提供了所需的機械粘接緩沖作用。芯片的頂部的銅層適合鍵合直徑可達500um的銅線,同時,芯片的底部被燒結到DBC上,銅綁定和燒結技術的結合顯著地提高可靠性以及功率密度。

DBB技術是為了減少CTE不匹配帶來的熱機械應力,除了在鍵合過程中吸收能量以及保護芯片,其還具有一定的熱學優(yōu)勢。

DBB的主要工藝步驟如下,

芯片燒結到DBC和芯片表面的DBB可以使用同一臺燒結設備和工藝。下面是一個DBB技術模塊的局部示意圖,

上圖中,DBC襯底和DBB銅層都有一層NiAu表面,以達到更好的延展性。

DBB中的銅層形成了一個熱容量,對于模塊的Zth有著一定的影響,但不會增加其熱阻Rth。其大面積的銅層,以及銅層的厚度比普通的Al頂層要厚得多,導致了更好的電流擴散,提供了更為均勻的電流密度分布。

熱特性

利用有限元仿真工具,在相同條件下對比了三種情況下的熱參數(shù),

緩沖層(70um)+銅綁定線(300um)

緩沖層(70um)+鋁綁定線(300um)

無緩沖層+鋁綁定線(300um)

阻抗曲線如下,

PaneA中,在1ms處單純Al線和緩沖層加Cu線熱阻抗相差0.01K/W主要是由于銅線具有較高的熱導率;PaneB中,純Al線和緩沖層加Al線熱阻差了約0.003K/W是由于緩沖層厚度較高引起的。

熱機械應力

為了評估Si芯片和DBB銅層之間的銀燒結層內(nèi)的應力,采Suhir的軸對稱模型,計算出了層狀材料(頂層和底層)的彈性彎曲應力分布和連接層中的應力,即剪切應力。軸向?qū)ΨQ近似矩形,其半徑由邊長的一半或者對角線來定義,或者通過使用等面積的方法。Suhir表明,大面積的剪切應力只存在于一定的外圍區(qū)域,如下圖中的曲線“剪切DBB/Chip”所示,在一定橫向尺寸內(nèi)保持不變。

同時也給出了一些相關參數(shù)對剪切力的關系。

不同DBB厚度下,DBB燒結層的剪切應力與厚度成正相關性。

不同芯片厚度下,DBB燒結層的剪切應力與厚度成正相關,相同面積下,SiC大于Si。

不同芯片厚度下,芯片到DBC的燒結層剪切應力??梢钥闯鲂酒奖?,燒結層中的應力越低。

不同DBB銅層厚度下,芯片到DBC的燒結層的剪切應力??梢钥闯?,DBB越厚,芯片到DBC的燒結層剪切應力越小,但需要結合第一個柱狀圖,DBB越厚,DBB燒結層的剪切應力越大。這兩種需要進行相應的權衡。

TC和PC循環(huán)

TC測試在-40/+150℃,15/15min下進行,給到了開始前和750次循環(huán)后的SAM圖像,

可以看出,燒結層都沒有變化跡象,而DBC的銅層明顯有損傷,此時DBC的可靠性成了木桶效應的短板。

PC測試基于100A/1700V的IGBT進行,分別有DBB技術和傳統(tǒng)的鋁綁定線加焊接(ST)的樣品,測試條件如下,

可見采用DBB技術的功率循環(huán)能力得到了飛躍的提升。

參考文獻,

Jacek Rudzki, Danfoss Silicon Power GmbH, Flensburg, Germany, "Power Modules with Increased Power Density and Reliability Using? Cu Wire Bonds on Sintered Metal Buffer Layers"

小結

今天以DBB技術為基礎,大致聊了一下銅綁定線帶來的一些優(yōu)勢,當然歸根結底還是為了更高的功率密度和可靠性。但功率半導體沒有一個過程是固定不變的,都是在反反復復的折中過程中尋找著屬于自己的最優(yōu)解,DBB技術是一種,那相信其他家的銅綁定或者Cu-Clip都有屬于自己模塊的最優(yōu)解。

這不正是我們學無止境的原因所在嗎?也許下篇我們可以再聊一下另一種芯片互連技術(SKiN技術)。

今天的內(nèi)容希望你們能夠喜歡!

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公眾號“功率半導體那些事兒”主筆,熱衷于功率半導體行業(yè),并且從事相關工作,喜歡關于相關行業(yè)的各種信息,知識和應用。珍惜時光,自由在高處。