传统SiC功率器件的Al Pad + 铝线键合方案在高温、高电流密度、超长寿命场景下遭遇物理极限,Cu Pad + 铜线键合是实现SiC全性能释放的下一代封装互连方案。
森丸电子依托自身成熟的晶圆级金属化平台,推出在SiC晶圆原有Al Pad上电镀Cu Pad的完整工艺方案,涵盖PVD种子层沉积、ECP电镀Cu、PI钝化保护全流程,可匹配后续Cu线超声热压键合工艺:在晶圆级把芯片正面互连从铝体系整体升级为铜体系,从源头消灭寿命与可靠性短板。森丸核心工艺能力包括:
  • Al-Cu界面工程:接触电阻是这条工艺路线最敏感的指标,铝表面瞬间再生的致密氧化层是界面电阻的头号敌人。森丸对此深入研究,针对前处理工序细节,经过多年的研究与测试,精细打磨出特有的Know-How。
  • 超薄片加工能力:SiC硬度接近金刚石,减薄至两百微米以下后翘曲与破片风险剧增。森丸具备成熟的晶圆减薄抛光、临时键合/解键合与薄片流转能力,配合低应力电镀体系,让超薄片"安全走完"全流程。
  • 精密电镀平台:森丸拥有高精度电镀工艺能力,Cu/Ni/Au平面电镀及高深宽比通孔填充电镀经验丰富,电镀厚度均匀性与应力控制经过批量验证。
01.
为什么必须从"Al Pad + 铝线"转向"Cu Pad + 铜线"

1、铝互连是SiC模块寿命的"最短板"

在银烧结芯片贴装(Ag sinter die-attach)普及之后,传统功率模块中仅剩的可靠性薄弱环节就是铝键合线 。其失效机理非常明确:
  • 热膨胀系数失配:Al的CTE约24 ppm/K,而SiC仅约4 ppm/K,主动功率循环(APC)中热机械应力集中在键合根部(bond foot),裂纹沿键合界面萌生与扩展,最终键合线翘起(lift-off);
  • 再结晶与晶粒粗化:大电流下铝线键合点发热导致晶粒粗化、强度下降,键合点损伤——这在快充等大电流场景已被反复报道 ;
  • 铝线熔断电流和载流密度低,难以匹配SiC芯片不断提高的电流密度。
2、铜互连的系统性优势
Al vs Cu 多维性能对比
02.
晶圆级工艺路线
在SiC晶圆原有Al Pad上电镀Cu Pad,本质是在超薄SiC晶圆上构建高可靠性的Al-Cu异质界面电气连接。Cu Pad叠层结构示意图如下
SiC晶圆Cu Pad叠层结构剖面示意图
03.
关键技术难点
Al-Cu界面接触电阻控制
Al与Cu之间的界面接触电阻(Rc)是工艺成败的核心指标。Al表面氧化层去除不彻底、PVD种子层缺陷、界面扩散层不均匀等因素都会导致Rc偏高(目标<5mΩ·mm²)或稳定性差(波动>5%)。关键在于前处理环节以及PVD工艺窗口的精确控制:包括腔体真空度、溅射功率、基片温度的三维优化,以及Ti阻挡层厚度(50-100nm)的精确调节。过于追求低Rc可能导致Ti层过薄引发Cu向Al扩散,长期可靠性反而下降。
超薄片工艺
SiC晶圆减薄至270μm后,机械强度大幅下降,在电镀夹具装夹、镀液冲击、烘干等环节均有裂片风险。需要设计专用的超薄晶圆电镀夹具(边缘支撑+真空吸附),控制镀液流速和夹具夹持力,同时在PI固化环节采用梯度升温曲线释放热应力,避免Cu/SiC之间的CTE失配导致晶圆翘曲甚至破裂。
ECP Cu厚度均匀性
超薄SiC晶圆(270μm)上进行电镀,Cu层厚度不均匀(目标±3μm内)会导致键合强度分散、局部电流密度不均引发热点。需要多路添加剂体系(抑制剂/加速剂/整平剂)精密配比,控制晶圆级厚度均匀性<3%,表面粗糙度Ra<50nm。铜阳极的质量、镀液流速分布、电流密度波形都是影响均匀性的关键变量。该领域know-how高度依赖工艺经验积累。
04.
支持衬底类型
Cu Pad电镀工艺具备跨衬底类型的通用性,可以在SiC、功率GaN、Si三大宽禁带/功率半导体衬底上实施,但工艺参数需针对不同衬底进行适配优化。
05.
应用价值与产业进展
高可靠性场景:新能源汽车、AI服务器电源
  • 车规级SiC功率模块:车规级AEC-Q101认证要求功率循环寿命>6,000次(ΔTj=100°C),传统Al线方案在4,000次后键合强度即衰减50%,无法满足下一代电驱动系统的全生命周期可靠性要求。Cu Pad+铜线键合凭借4倍于铝线的功率循环寿命,成为800V平台SiC功率模块封装的确定性技术升级方向。
  • AI服务器电源:AI训练/推理集群的7×24不间断运行要求电源模块具备超长期可靠性(>10万小时MTBF),传统Al线方案在持续高温大电流工况下可靠性衰减过快。Cu Pad方案凭借更高的功率循环寿命和抗电迁移能力,是AI服务器电源升级的确定性方向。
产业进展
  • 英飞凌通过其.XT互连技术(铜焊盘+铜线+银烧结)已走在行业前列。其3.3kV XHP2模块已用10倍的功率循环寿命证明了该技术的巨大优势并且明确了2026年将新一代CoolSiC™ JFET产品量产的规划。这一转变正从技术趋势变为行业标准
  • 三安光电已在PCIM 2025展示750V正面铜金属化SiC MOSFET晶圆,电镀铜8–20 μm + PI钝化,明确面向车规主驱、新能源与电源。
  • 华为与中芯国际2026年5月联合发布《平面栅1200V SiC MOSFET正面镀铜工艺可靠性白皮书》,披露该工艺在短路耐受时间、功率循环寿命上的提升,并已进入成熟代工平台、支持客户定制,通过AEC-Q101相关加速验证。

森丸电子,专注于先进硅电容与IPD集成的研发与制造,致力于为AI算力、新能源、下一代通信提供行业领先的无源器件解决方案。

作者 808, ab