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技术文章 | 制作电力模块并不神奇, 你只是需要一块优质陶瓷基板!

以下文章来源于罗杰斯先进电子解决方案 ,作者罗杰斯公司




目前设计工程师都选择直接敷铜(DBC)和活性金属钎焊(AMB)基板作为电力模块中半导体裸芯片的电路材料,这是因为这种基板能够使半导体的热量有效消散,并延长模块的使用寿命。但是工艺和生产工程师首先应建立这些模块,他们必须谨慎地加入多个部件,并将它们连接在一起,以提供所需的电气、热力、化学和机械功能。下面内容中,我们将基于一个典型的生产流程,重点描述基板在装配工过程中每一步的最重要特征。










01


芯片贴装







第一步通常是将多个半导体芯片贴装到基板上。理想的做法是将芯片直接压装到基板上。因为这种连接工艺无需额外材料,所以能在很大程度上降低芯片和基板之间的热变电阻,并提高可靠性。但是,虽然不断实施一些有望的研发活动,但是该方法目前并不常用,这是因为它需要弹簧触点和专用泡棉,以便施加充足且均匀的压力,同时不损坏芯片。而且基板必须基本平整,非常干净,无划痕、齿形缺口、凸起等瑕疵。然而直到今天,焊接还是最常用的芯片贴装技术。因为该工艺可以在不同的还原环境中使用不同的膏状或粗加工焊料合金,使用或不使用助焊剂,并通过加热板、高温光线或蒸汽传递热量,所以该工艺过程是不同的。但是在任何情况下,该工艺都在真空条件下进行,以免形成孔隙,否则会影响热传递。而且基板表面上的焊料润湿性也很关键。无论是裸铜、镍还是金表面,都必须避免污染。这可以通过基板的恰当清理、包装、运输、储存和装卸实现。因为操作员必须严格遵守这些说明,所以应对操作人员进行培训,加强他们的清洁意识。

银烧结是一种可替代的芯片贴装技术,且在近几年这种技术日益重要。在该工艺中,在压力和250°C左右的温度下,将以膏状或薄膜形态的纳米银或银微粒烧结在一起,形成一个薄薄的银烧结层。由于这种银烧结层的熔点高、导热系数高且烧结层非常薄,所以它在热变电阻和可靠性方面比传统焊料层好得多。但是该工艺仍旧还是新工艺,需要新设备来施加所需的压力。随着新型烧结设备和新型烧结材料的出现,提出了新的基板要求,其中最重要的是表面粗糙度降低和镀银表面。另外,已经开发出了一种选择性镀银工艺,它能仅在芯片区域的需要位置提供镀银表面。


02


基板的选用







第二步是将带有半导体裸芯片的基板固定到一个铜制或铝碳化硅底板上。对于需要将多个基板装到一个超大底板上的大功率模块来说,尤其如此。而且对于芯片贴装,焊接是最常用的技术,同时烧结法也日益受到关注。但是由于待连接的表面较大,所以该工艺步骤比芯片贴装更重要。现在除了清洁度、表面镀层、粗糙度和瑕疵以外,基板和底板的翘曲度也非常重要,如果控制不当,则可能严重影响产量。而且因为带有元件的基板和底板的价值较高,所以随着成品率损失增加,相关成本也较高。

对于仅需要一个基板的中低功率模块,模块制造商都避免使用底板。因为模块外壳带有螺钉和弹簧触点,可以在整个基板表面提供充足、均匀的压力,所以可以不使用底板。因此,若终端用户遵照安装说明,并在模块和散热片之间使用正确、充足数量的导热胶,即可实现与散热片的完美接触。遗憾的是,过去事实并非总是如此,所以模块制造商必须处理很多投诉。与此同时,很多模块制造商将一系列带有预涂导热胶的模块投放市场,以免出现上述问题。与带底板的模块不同的是,无底板模块的基板背面直接暴露到周围环境中。因此如果在供应链上不采取保护措施,那么该表面易于氧化或污染。例如,因为裸铜表面的轻微氧化易于发现,所以很多模块制造商更喜欢使用镍或金表面。而且,对于带底板的连接工艺来说可以接受的小瑕疵通常是终端用户关心的问题,尽管这些小瑕疵不影响模块在系统中的性能,但是还需要更多调查结果证明它们仅是美观问题,但对应用无不良影响。


03


电气连接







在一个电力模块中,多个装置必须并联或串联在一起,并最终与模块终端相连。但是大部分半导体是纵向芯片,底部和顶部均有电极触点。作为一种电路材料,一个基板本身不能将所有这些触点连接在一起。在大部分传统做法中,顶部和底部之间的芯片触点(串联)或顶部和顶部之间的芯片触点(并联)的连接通过铝导线实现。用于该目的的导线直径通常是100 µm~ 500 µm。若该导线必须与基板表面连接,相应的凸起或孔隙等瑕疵会不可避免的对导线键合工艺有所影响。我们的操作员和自动光学检测设备尤其注意相应的导线键合区域,从而保证交付的基板符合相应的技术规范。

多年前模块制造商已经知道铝导线会限制模块的可靠性。他们已经研发了新材料和新技术,来代替铝导线,例如铜导线或铜带和柔性电路。另一种方法是使用以夹心形式布置的两个基板,每侧均安装芯片。该方法对平整度和平行度的要求增加,为模块设计和基板带来了新挑战。但是也提供了另一个散热路径,这种双面散热方法日益流行。

最后,模块端子可以通过超声波焊接工艺,焊接或贴装到基板上。因为贴装无需附加材料,且能实现铜对铜直接接触,所以贴装有显著的可靠性优势。若不谨慎选择基板的工艺参数和设计,那么在该工艺实施期间作用到基板上的作用力和机械振动可能造成陶瓷层损坏。


04


塑封







为了提供机械刚性,并保护器件装置不受周围环境中的湿度和其它化学物质的影响,用硅凝胶、环氧树脂或塑封料密封带有元件的基板。这些密封材料是保证所需绝缘效果的关键。基板表面缺少粘附力,或塑封材料中有气泡都可能造成在使用期间绝缘失效。为了根据塑封材料的热膨胀系数(CTE)、弹性模量和玻璃化温度优化密封材料的粘附性,可能必须对基本表面进行特殊处理或表面处理。因为芯片结温的持续升高,且必须证明能够经得住较高温度的新塑封材料是否合格,所以要不断进行与此相关的很多研发。

在整个生产流程上,基板对于产线的良率、以及在后期使用期间实现模块的设计性能来说是很重要的。模块制造商可以依赖罗杰斯电力电子解决方案(PES)的承诺、经验和专有技术,为当前和未来应用提供质量稳定的优质基板。


来源:罗杰斯公司



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