封装材料的性能是决定模块性能的基础,因此封装材料的选择对整个功率器件的可靠性至关重要。6月29日,2023年 IGBT 产业论坛顺利在昆山举办!此次论坛由艾邦智造主办,以加强IGBT产业链上下游企业交流联动。会上,晨日科技市场部经理王超先生为我们带来《IGBT封装材料解决方案》的主题报告分享。

半导体功率器件先进封装材料解决方案

△晨日科技市场部经理王超

王超先生为我们介绍了功率半导体封装的发展:更耐高温、更耐高压、更高功率密度、更高频率、更高可靠性、个性化定制,并介绍了晨日科技的封装材料在IGBT单管、IGBT模块、SiC芯片封装方面的应用。

1、IGBT单管封装技术与材料

常用的单管封装常用的有3种材料,导电胶、焊锡丝和锡膏。

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  • 导电胶不需要清洗,比较干净,易打线,缺点是成本高,电导力、热导力就比较低,应用场景较为局限;
  • 焊锡丝是最传统的单管封装金属材料,但不环保且作业性差,目前还有一定的应用;
  • 锡膏的综合作业效率、成本优势比较高。
晨日科技自 2004 年成立,一直深耕于分立器件行业。晨日科技已经为IGBT单管封装开发了一系列高铅锡膏,它由高铅合金粉和锡膏助焊剂组成,应用在各种应用场景,尤其是点胶方面,晨日科技处于绝对的领先地位,此外在半导体针转移、SMT印刷,有高活性要求的镀镍芯片焊接等方面已经实现产品应用。
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2、IGBT模块封装技术及材料

IGB模块封装主要有两种封装材料:焊片和锡膏,针对不同的应用场景,选择的材料不一样。如下图橙色部分,IGBT芯片封装到陶瓷衬板上时,常用的是高铅或无铅的锡膏;陶瓷衬板封装到散热基板上时,主要应用的材料是焊片,也有部分会用到无铅锡膏。
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晨日科技主要提供的材料是水洗锡膏,具有批量操作、印刷操作性强、降低成本等优势,同时晨日科技也在积极开发免洗的、超低或极低残留的锡膏,以更好的赋能IGBT模块企业。晨日ES-W800在客户端做了很多验证测试,具有印刷效果良好、焊接状态良好、空洞率低、残留物可清洗干净等优点。
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基于之前的开发经验,晨日科技针对IGBT模块开发了GT-40有机硅凝胶产品,该产品固化后会形成柔软的弹性体,具有绝缘性佳、应力低、耐温范围广、防水防潮等优点,目前已经和IGBT厂商合作在黏度、高低温应用环境下进行测试,目前已经在头部企业进行验证测试。
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3、SiC芯片封装技术与材料

随着新兴战略产业的发展对第3代宽禁带功率半导体碳化硅材料和芯片的应用需求,国内外模块封装技术也得到迅速发展,追求低杂散参数、小尺寸的封装技术成为封装的密切关注点,国内外科研团队和半导体产业设计了结构各异的高性能功率模块,提升了SiC基控制器的性能。
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随着行业的无铅化发展,以及碳化硅、氮化镓等第三代半导体材料的优异性能实现更高的工作温度和功率密度,常规锡基无铅焊料已经难以满足行业的需求,纳米烧结铜开发难度极大,烧结银材料成本高,且存在可靠性银迁移的担忧,在这种情况下,晨日科技与日本企业联合开发新型低成本高温无铅纳米Cu6Sn5基锡铜复合焊料,该焊料采用特殊的一种雾化工艺,制作出超微的Cu6Sn5组织分布非常均匀,且含量非常高的粉,然后将粉制成需要的膏体或焊片加以应用。
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在对碳化硅芯片进行焊接的时候,观察组织结构,浅颜色的为Sn 母相,深颜色为Cu6Sn5 IMC组织,Cu6Sn5为什么能够用在这里面?因为Cu6Sn5本来就是常规的普通含银焊料的界面材料,铜基板常规锡基焊料界面会有Cu6Sn5组织,甚至在更长期的情况下会出现Cu3Sn的组织,这种组织的出现是很好的,能够提高它的可靠性。另外因为Cu6Sn5的熔点为 415℃,材料的耐高温特性能够适用于行业中,Cu6Sn5组织能够起到热和力,还有导电的性能。
在 40 ℃~175 ℃的超声扫描测试,对Cu6Sn5 IMC材料和Sn10Sb、92.5Pb5Sn2.5Ag常规产品进行了一些对比,可以看到Cu6Sn5 IMC材料超声扫描的结果非常好。另外也做了一些切片分析,在比较苛刻的冷热循环条件下,Cu6Sn5 IMC材料界面形状结构非常好,而常规的焊料则会出现开裂、空洞现象。综合目前几个主流材料来看,晨日科技新开发的Cu6Sn5 IMC焊料价格适宜,能够满足行业的需求。
本文来源:深圳市晨日科技股份有限公司《IGBT封装材料解决方案》主题报告分享,关注公众号,回复关键词“20230629”即可观看演讲视频。

原文始发于微信公众号(艾邦半导体网):半导体功率器件先进封装材料解决方案

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作者 gan, lanjie