Plata sinterizada: un material clave para el embalaje de chips de carburo de silicio
Actualmente, la industria de los semiconductores de potencia se enfrenta al fuerte aumento de los semiconductores de banda ancha como SiC y GaN. Con el aumento del mercado de vehículos eléctricos, los consumidores son cada vez más. Interesado en los automóviles Los requisitos de alta duración de la batería y carga ultrarrápida son cada vez mayores, y los requisitos de densidad de potencia, temperatura de funcionamiento y confiabilidad de los módulos electrónicos de potencia se vuelven cada vez más complejos. confiabilidad y rendimiento. El embalaje es el portador del dispositivo y la clave para garantizar la fiabilidad y el pleno rendimiento de los chips de SiC.
El uso de materiales de carburo de silicio reduce el tamaño del chip, pero aún está relacionado con la potencia por unidad de área del chip, lo que significa que los módulos de potencia deben depender más de los procesos de embalaje y los materiales de disipación de calor. para proporcionar disipación de calor. En la actualidad, los procesos de envasado tradicionales, como los procesos de soldadura, han alcanzado sus límites de aplicación y se necesitan urgentemente nuevos procesos y materiales de envasado para reemplazarlos.
La temperatura de funcionamiento de los chips de SiC es más alta, los requisitos de embalaje también son muy altos y los requisitos de disipación de calor y confiabilidad también son más estrictos, todo lo cual requiere procesos de embalaje y materiales compatibles. simultáneamente. En los módulos de potencia tradicionales, el chip se suelda al sustrato y la interfaz de conexión generalmente utiliza un sistema de aleación bifásico o trifásico. Durante el proceso de cambio de temperatura, la interfaz de conexión forma una capa de compuesto metálico para permitir la conexión entre ellos. El chip, la aleación de soldadura y el sustrato forman interconexiones. En la actualidad, los materiales de soldadura comúnmente utilizados en envases electrónicos son soldadura con plomo o soldadura sin plomo, y sus puntos de fusión son básicamente inferiores a 300 °C. La temperatura de unión del módulo de potencia durante el proceso de soldadura es generalmente inferior a 150 °C. La temperatura aplicada es Cuando la temperatura es de 175-200 ℃ o incluso supera los 200 ℃, el rendimiento de su capa de conexión disminuirá drásticamente, afectando la confiabilidad del funcionamiento del módulo.
¿Por qué utilizar la tecnología de sinterización de plata? En los módulos de potencia tradicionales, el chip se suelda al sustrato. La interfaz de conexión es generalmente un sistema de aleación de dos o tres fases. Durante el proceso de cambio de temperatura, la interfaz de conexión forma una capa de compuesto metálico para formar el chip, soldando. aleación del material y la interconexión del sustrato entre ellos. En la actualidad, los materiales de soldadura comúnmente utilizados en envases electrónicos son soldadura con plomo o soldadura sin plomo, y sus puntos de fusión son básicamente inferiores a 300 °C. La temperatura de unión del módulo de potencia durante el proceso de soldadura es generalmente inferior a 150 °C. La temperatura aplicada es Cuando la temperatura es de 175-200 ℃ o incluso supera los 200 ℃, el rendimiento de su capa de conexión disminuirá drásticamente, afectando la confiabilidad del funcionamiento del módulo.
En los dispositivos de potencia, el calor que fluye a través de la junta de soldadura es muy alto, por lo que es necesario prestar más atención al rendimiento térmico de la conexión chip-frame y a su capacidad para soportar altas temperaturas sin degradarse. actuación. La resistencia térmica de la plata sinterizada a baja temperatura y sin presión de Zenith es mucho menor que la de la soldadura, por lo que el uso de plata sinterizada en lugar de soldadura puede mejorar la resistencia térmica de la conexión del dispositivo semiconductor y, debido al mayor punto de fusión de la plata, la También se mejora el margen térmico del diseño general.
El modelado térmico de D2PAK muestra diferentes gradientes de temperatura del chip a la carcasa. El uso de plata sinterizada sin presión AS9375 de Zenith para conexiones de chips reduce la resistencia térmica en un 28 % en comparación con las conexiones de chips que utilizan soldadura Pb95.5Ag2.5Sn2.0. En comparación, la sinterización de plata sin presión de Sunny normalmente alcanza los 200 °C-300 °C, lo que convierte a la tecnología de sinterización en una alternativa ideal a la soldadura. Además, la fijación del troquel es un proceso extremadamente complejo. El uso de la tecnología de plata sinterizada para la unión de chips puede reducir significativamente los costos de fabricación, eliminar la necesidad de limpieza posterior al procesamiento y acortar la distancia entre los chips.
Para resumir las ventajas de la sinterización de plata Sunren: 1. El cuerpo sinterizado del proceso de sinterización de nanoplata tiene una excelente conductividad eléctrica, conductividad térmica, alta resistencia de unión y alta estabilidad. Los módulos sinterizados mediante este proceso pueden durar. durante mucho tiempo a altas temperaturas; 2 Proceso de sinterización de nanoplata Después de que la capa de sinterización del chip forme conexiones mecánicas y eléctricas confiables, la resistencia térmica y la resistencia interna del módulo semiconductor se reducirán y el rendimiento y la confiabilidad del módulo. se mejorará; 3 Sinterización de nanoplata Después de que el proceso permita que la capa sinterizada del chip forme conexiones mecánicas y eléctricas confiables, la resistencia térmica y la resistencia interna del módulo semiconductor se reducirán y el rendimiento general y la confiabilidad del módulo serán menores. mejorado. 3. El material de sinterización es plata pura, sin plomo y respetuoso con el medio ambiente.
2. ¿Están invirtiendo empresas nacionales y extranjeras en tecnología de sinterización de plata?
En 2006, Infineon lanzó el formato de embalaje Easypack1, que utiliza tecnología de sinterización de plata de una cara y tecnología de sinterización de plata de doble cara.
A través de las correspondientes pruebas de ciclos de alta temperatura, se descubrió que, en comparación con el proceso de soldadura tradicional, la vida útil del módulo de la tecnología de sinterización de plata de una cara aumenta de 5 a 10 veces, mientras que la vida útil del módulo de la tecnología de sinterización de plata de doble cara aumenta. en más de 10 veces. En 2007, Semikron lanzó la tecnología SkinTer, que utiliza un proceso de sinterización de nanoplata para conectar el chip y el sustrato bajo 250°C y condiciones asistidas por presión para obtener una capa de plata de baja porosidad. En comparación con la capa soldada, la capacidad de ciclo de energía aumenta de 2 a 3 veces, el espesor de la capa sinterizada se reduce en aproximadamente un 70 % y la conductividad térmica aumenta aproximadamente 3 veces.
En 2012, Infineon lanzó la tecnología de interconexión XT, que utiliza tecnología de sinterización de plata para conectar chips y sustratos. Las pruebas cíclicas han demostrado que la vida útil de los módulos de potencia sin placa base se puede mejorar hasta en dos órdenes de magnitud, mientras que la vida útil de los módulos con placa base también se puede aumentar en más de 10 veces.
En 2015, Mitsubishi Electric utilizó tecnología de sinterización de plata para fabricar módulos de potencia, con un ciclo de vida aproximadamente cinco veces mayor que el de la soldadura. En mayo de este año, Toshiba dijo que su recién lanzada tecnología de empaquetamiento iXPLV para módulos de potencia de carburo de silicio (SiC) puede duplicar la confiabilidad del producto y al mismo tiempo reducir el tamaño del paquete en un 20%.
Hace unos meses, Starr también dijo en una conferencia nacional que la serie T6 de chips de un solo tubo de 1200 V y 750 V de grado automotriz de la compañía utiliza un proceso de sinterización de plata a baja temperatura y sin presión. Las series N3 y N7 con refrigeración de doble cara también tendrán un número correspondiente de versiones de carburo de silicio a finales de este año, y sus estructuras también utilizan tecnología de sinterización de plata de doble cara.
III ¿Cuál es la resistencia máxima a la sinterización de plata sin presión? ?Los principales problemas encontrados en el desarrollo de la tecnología de sinterización de plata son: el costo de la nanoplata utilizada en la tecnología de sinterización de plata es mucho mayor que el de la pasta de soldadura. El costo de la pasta de plata aumenta a medida que disminuye el tamaño de las partículas de plata. , la capa de revestimiento de cobre de metales preciosos en el sustrato también aumenta; otras tecnologías de sinterización de plata requieren una cierta cantidad de presión auxiliar demasiado alta puede causar fácilmente daños en las astillas. La sinterización de plata sin presión a baja temperatura lanzada por Haoren New. Los materiales se pueden sinterizar sin presión. La sinterización sin presión es muy efectiva para que el chip no se dañe; sin embargo, la sinterización de plata sin presión requiere precalentamiento y todo el proceso de sinterización demora más de 60 minutos, lo que resulta en una baja eficiencia de producción. de la capa de conexión obtenida mediante tecnología de sinterización de plata es generalmente a nivel micrométrico o submicrónico y no existe un método de detección eficaz. Con la electrificación de los automóviles, el uso práctico de los vehículos eléctricos y HEV y la aparición de los dispositivos de SiC/GaN, los semiconductores de potencia para automóviles están mostrando una tendencia a la diversificación. Por ejemplo, no sólo se han introducido MOSFET de potencia única, sino también IPD (dispositivos de potencia inteligentes) que integran circuitos integrados de control, y la variedad también está aumentando. Para hacer frente al creciente consumo de energía de diversos semiconductores de potencia para automóviles, especialmente los utilizados en vehículos eléctricos y vehículos híbridos, es necesario lograr (1) baja resistencia, (2) alta disipación de calor y (3) encapsulación de alta densidad. . El proceso de sinterización sin presión a baja temperatura es la tecnología clave para resolver este problema.
Goodyear cree que la presión, la temperatura y el tiempo son los principales factores que afectan la calidad de la sinterización. El tipo y la calidad del recubrimiento, el tamaño del área de la viruta y la protección de la atmósfera de sinterización también son factores importantes. para considerar. Se cree que con la expansión de los campos de aplicación de los semiconductores de banda ancha basados en carburo de silicio, la tecnología de plata sinterizada se utilizará y promoverá más ampliamente.