电动汽车模块封装工艺与可靠性综述

电动汽车模块封装工艺与可靠性综述

IGBT模块可靠性方面的瓶颈问题：芯片本身，电连接部分，这里包括芯片正面，芯片背面，DBC与基板的连接，功率电极与DBC，驱动电极与DBC的连接，功率模块本身的材料体系。

第一部分芯片本身

芯片正面的Al层重建现象Al metallization reconstruction，就是功率循环中，Al层变得粗糙，这样键合处的接触电阻变大，从而导致失效，富士电机的模块再芯片表面Al层淀积一层Ni[1]，Ni层由于具有较高的机械强度，这样能够缓解功率循环种的热机应力，可靠性大大提高，同样的道理可以在芯片表面淀积强度更高的金属层。在文献[2]中提出了用一种压缩的钝化层来抑制Al层重建增长的办法，图3中左图表示的是部分移除钝化层的试验效果，从图上可以看出，钝化层确实起到了抑制晶粒生长的效果。图3右图是近距离的观察芯片表面情况，在功率循环后，没有出现Al reconstruction现象，但是可以看出晶粒边缘由于气穴效应被消耗，这种现象同样出现在没有钝化层的芯片表面。

图 1 左图是功率循环前，有图是功率循环后

图 2 芯片淀积Ni的可靠性对比

图 3 使用钝化层的效果

模块的芯片键合线的常见的失效现象是键合线的lift-off和heel crack现象，如图4-5，铜线键合能够解决这个问题，但这样就要求芯片表面金属为铜层，在英飞凌.XT封装的模块中采用这样的方案[3]。基本工艺流程如图7。

图 4 liftoff现象图 5 heel crack现象

图 6 芯片表面的Cu淀积铜层

图7 工艺流程

Cu层的厚度一般是几um到20-30um，Cu层越薄，其翘曲越小，另外阻挡层的改善能够减少翘曲，图8。可靠性方面主要阻挡层的缺陷是关键，若阻挡层有缺陷，则会生成CuSn等

图8 翘曲与Cu厚和阻挡层关系图9 阻挡层的失效

第二部分芯片正面的电连接

前面提到了liftoff和heel crack现象，如图4-5，Cu制程工艺难度大，贺利氏开发一种Al 包Cu线[4]，图10，这样既可以利用Cu线优良的导电和机械性能，又能兼容现有的工艺，另外Al带键合也是一种解决办法，潜在的铜带键合，图11，铝铜带键合技术都有较大的潜力。

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图10 Al包铜线图11 铝带铜带键合

另外，封装键合的线弧对可靠性影响较大，据文献[6]显示，键合线的弧高和距离比越小时，可靠性明显。不同的比例，功率循环的失效模式会不一样。但是弧高太长会降低过流能力，增加寄生电感。

图12 键合弧高和可靠性关系

DLB（直接端子绑定）为三菱开发出来的另一项键合工艺，已经用于其J系列的电动汽车模块中[4]，这种封装寄生电感能降低50%，这样开关过程中的电压过冲会降低，寄生电阻能降低50%，更高的功率循环能力和过电流能力[7]，这种工艺要求芯片表面淀积一层Cu、Au、Ag等金属[8]，Cu端子烧结上去。

图13 DLB技术

另一种办法是采用柔性的电极，进行烧结到芯片表面[6]，赛米控SKiN系列产品采用这种工艺。这种柔性电极由两层薄膜组成，一层是polyimide薄膜，另一层是Cu或Al膜，对于功率芯片来说，一般在100um厚度，对于逻辑芯片，35um足够。通过和标准的封装相比，其寄生电感，浪涌能力和可靠性方面都有提升。

图14 烧结原理图

芯片正面采用铜箔烧结，然后在烧结的铜箔上进行粗铜线（300um）键合，这项技术有丹佛斯开发[9]。铜箔一般厚度70um，在这里充当了一个缓冲层的作用，有降低瞬态热阻，

图15 DBB技术图16 粗铜线键合

Al线合金优化[10]：富士电机研究发现传统铝线在150-200℃下，会发生重结晶现象，研究发现Al线中晶粒会变粗，Al线的强度降低，其裂纹的生长速度会增加，若采用高强度的铝线合金，能够将Al线重结晶温度提升100℃，可靠性会大大增加。图22对比了传统Al线和新Al线的PC循环的对比，传统Al线的晶粒增大了很多（一种颜色表示一种晶粒），而新型的Al线则几乎不变。

图17 a是传统Al线，b是新型Al合金线

另外，研究发现若芯片的结温不一样，则失效的部分不一样，结温低时，容易失效的是bondwire的lift-off现象，其次是solder的疲劳老化，再次是芯片金属Al层的金属晶粒生长失效。因此要提高可靠性，这三个方面需要同时提高。

图18 不同结温波动对应的失效方式

第三部分芯片背面的电连接

目前的工业常用的模块中，一般采用无铅的锡膏焊接，锡膏的熔化温度约220℃左右，当芯片工作在同源温度Thom大于0.9（同源温度指的是Top/Tmelt），锡膏的可靠性会大大降低。因此锡膏的熔点温度越高，可靠性方面就会越高，目前芯片下面锡膏的失效主要是热疲劳失效。

图19 热疲劳失效现象

常用的解决办法是采用银烧结工艺[11]。银的熔点为961℃，完全可以应用在175℃及以上的场合，而Thom仅为0.18，具有很高的可靠性。烧结用的材料有微米级银颗粒和纳米级银颗粒。微米级银颗粒烧结工艺的温度一般在200 ~300℃左右，压强30~50 MPa，时间为60~180s不等。而纳米级银颗粒烧结工艺所需压强较低，时间更短。Semikron公司SKiM 产品即采用了银烧结工艺。目前银烧结技术需要克服以下几点：（1）工艺过程中需施加较大的压力，增加了工艺复杂度；（2）工艺过程中温度稍高，对芯片有负面影响；（3）价格昂贵，尤其是纳米尺寸的银颗粒；（4）与传统的焊接工艺不兼容，受限于设备和工艺，不利于自动化生产。同时芯片背面和DBC需要特定的金属层，比如Au，Ag或Pt[8]。

瞬态液相扩散（TLP）连接是另一种办法，传统的焊接一般形成比较薄的金属层合金，而在瞬态扩散焊接过程中，通过特殊工艺形成较厚的金属合金层，其熔点比传统的软焊料要

图20 TLP原理图21 实物效果

在目前的SnAgCu焊料中，可以形成Cu3Sn和Cu6Sn5合金，合金层的温度与合金的比例有关，一般可以达到T hom=0,52-0,65。目前的困难之处是合金层形成的较慢，但是现在通过工艺控制，能够在几秒内形成合金。通过这种方式，可以形成熔点大于400℃，厚度小于10um的合金层，目前英飞凌已经用于XT系列的产品中。

富士电机在有另一种解决办法，采用SnSb焊料[10]。传统的SnAg焊料，在PC循环后容易产生裂纹，其原因是Sn和界面见Ag3Sn合金会随着热机循环而老化失效。富士电机采用SnSb焊接，在Sn晶粒周围增加Sb，可以增强焊料的强度，达到1.3倍。同时SnSb焊料会有较

图22 SnSb焊料原子结构图23 可靠性能力

第四部分DBC与基板的连接

除了芯片与DBC的连接工艺外，DBC与基板的连接还有一种沉淀硬化的工艺[12]，将某些合金的过饱和固溶体放置在室温下或者将它加热到一定温度，溶质原子会在固溶点阵的一定区域内聚集或组成第二相，从而使合金的硬度升高。

通过分析DBC与基板间的裂纹发现，若在焊料引入微型的沉淀物，会影响裂纹的扩展，通过优化工艺，在传统的焊料中控制SnCu合金的形成，由于SnCu的金属间化物的弹性模量会比传统焊料大很多，据文献显示可靠性方面可以提高10倍。英飞凌已将此工艺用于基板焊接中。