【摘 要】
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近年来,碳化硅（SiC）器件在高温电力电子领域快速发展。然而,SiC材料的弹性模量约是硅的三倍,极易导致SiC芯片的键合引线发生热机械应力失效。而低温烧结纳米银具有低弹性模量、高导热、高温可靠等优异特性,因此,本文采用低温烧结银作为关键封装互连材料,通过探索改进低温无压烧结纳米银工艺方法,研制了一种多芯片并联大容量（1200-V/300-A）SiC混合模块,提升了SiC混合模块中键合引线的封装可靠
【基金项目】
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国家科技部863计划:第三代半导体高密度封装工艺技术与关键材料,项目编号:2015AA034500；
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近年来,碳化硅（SiC）器件在高温电力电子领域快速发展。然而,SiC材料的弹性模量约是硅的三倍,极易导致SiC芯片的键合引线发生热机械应力失效。而低温烧结纳米银具有低弹性模量、高导热、高温可靠等优异特性,因此,本文采用低温烧结银作为关键封装互连材料,通过探索改进低温无压烧结纳米银工艺方法,研制了一种多芯片并联大容量（1200-V/300-A）SiC混合模块,提升了SiC混合模块中键合引线的封装可靠性。首先,本文研究了不同烧结气氛对低温烧结纳米银实现SiC芯片与裸铜基板封装互连的影响。研究表明,空气烧结纳米银互连芯片的剪切强度为26.5 MPa,铜基板表面被严重氧化。在还原气氛中烧结,剪切强度为9.5 MPa,铜基板不会被氧化。而采用空气和还原气氛交替混合烧结的方式改进烧结工艺,剪切强度可达30 MPa,同时烧结后的铜基板表面无氧化物。其次,本文采用提出的无压烧结工艺,完成了1200-V/300-A多芯片并联的SiC混合模块封装,并与采用传统高温焊料封装连接的1200-V/300-A商业硅基IGBT模块进行了性能对比研究。研究表明,所研制的SiC混合模块的多并联IGBT芯片的稳态热阻为0.10℃/W,较商业IGBT模块下降了9.1%。高温下,SiC混合模块的开通损耗较商业IGBT模块降低了46.15%,关断损耗降低了5.44%。最后,本文针对所研制1200-V/300-A SiC混合模块开展了功率循环老化实验,研究其芯片键合引线的可靠性。主要包括恒电流与恒结温两种模式下的功率循环老化实验,对比分析了烧结纳米银封装与高温焊料封装SiC芯片的键合引线可靠性差异。结果表明,在恒电流功率循环老化模式下,由于烧结银的高导热效果,在相同的加热电流下,烧结银封装的SiC芯片的结温更低,相比于高温焊料封装SiC SBD芯片,烧结纳米银封装SiC SBD键合引线的寿命提高到原来两倍。在恒结温功率循环老化模式下,烧结纳米银较高铅焊料的杨氏模量更低以及其多孔微结构有助于吸收断裂能,均有助于降低引线键合的机械应力,使得烧结银封装的SiC芯片键合引线的寿命提高26.66%。
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