高压碳化硅芯片封装技术

韩冰冰 王立伟

朝阳微电子科技股份有限公司 辽宁朝阳 122000

摘要：本文从四个方面阐述了高压碳化硅芯片封装技术。

关键词：碳化硅，封装

近年来，以碳化硅和氮化镓为代表的第三代宽禁带功率半导体迅猛发展，已成为中国功率电子行业的研发和产业化应用的重点，碳化硅全产业链包括材料、器件、封装和应用等环节。针对碳化硅功率芯片封装对于高击穿电压、大功率的需求，拟开展相关封装技术的研究，满足固态高压器件封装要求。本报告对于耐压6000V，脉冲峰值电流10KA的TO和SMD两种类型的管壳进行了设计，重点介绍了高压碳化硅功率芯片与管壳底座之间的焊接技术，高压碳化硅功率芯片与管壳内引脚之间的引线键合技术，高压碳化硅功率芯片的绝缘胶涂覆技术，高压碳化硅功率芯片封盖技术等关键技术。

1. 焊接技术

功率芯片焊接过程中 ,一旦在焊接面出现空洞 ,不仅芯片的电气连接性能不好 ,更重要的是将明显增加器件的热阻 ,导致器件烧毁或者失效。焊接质量的好坏对器件性能起着决定性的影响，因此对焊接工艺有必要进行深入研究。采用合金焊料的焊接方法主要有：氢气共晶焊和真空共晶焊。

芯片与基片间良好的欧姆接触是保证功率器件正常工作的前提。欧姆接触不良会使器件热阻加大，散热不均匀，影响电流在器件中的分布，破坏器件的热稳定性，甚至使器件烧毁。半导体器件的散热有辐射、对流和传导三种方式，其中热传导是其散热的主要方式。如图 1所示是芯片焊接装配模型，图2是其热等效电路。其中Tj为芯片结温，Tc为管壳温度；R1、R2、R3分别是芯片、焊料层、底座的热阻，总热阻R =R1+ R2+R3。

图1 芯片焊接装配示意图

图2 热阻等效模型

芯片PN结产生的热量主要通过碳化硅芯片、焊料层传到底座。焊接层的虚焊和空洞是造成欧姆接触不良的主要原因，空洞会引起电流集中，在它附近有可能形成不可逆的，破坏性的热电击穿。功率越大、芯片尺寸越大焊接空洞率越难以控制，因此如能实现功率碳化硅芯片的无孔洞焊接，将能显著提高器件的可靠性水平。实现无空洞焊接需要对以下几个方面进行深入研究：

①管壳镀层镀层和芯片背面金属化层质量等对焊结空洞率有何影响；

②焊料层厚度及质量对焊接空洞率有何影响；

③焊接温度曲线及气氛对焊接空洞有何影响；

④芯片表面压力对焊接空洞率有何影响。

本项目拟通过以上五方面的研究，选取合适焊料层厚度，控制好芯片表面压力，采用最优的焊接温度曲线、适宜的焊接气氛，完成碳化硅功率芯片的无空洞焊接。

2. 引线键合技术

在电子元器件制造工艺中，引线键合以其高效、低成本等优势作为电路内连接的主要手段；引线键合较钎焊连接能有效降低界面面应力，提高器件抗疲劳性能。在高可靠功率器件封装中，优选铝丝超声键合工艺。电子元器件失效分析表明，引线键合失效在产品失效中占有相当比例，因此，如能实现高压碳化硅芯片高可靠键合，器件可靠性将显著提高。

实现高可靠键合技术需要对以下几个方面进行深入研究：

①管壳镀层镀层厚度和质量对键合可靠性的影响；

②芯片金属化层质量等对键合可靠性有何影响；

③键合工艺中压力、功率和时间对键合可靠性有何影响；

本项目拟通过以上三方面的研究，选取合适键合压力、功率和时间等工艺参数，对管壳镀层和芯片金属化层提出质量控制要求，完成碳化硅功率芯片的高可靠键合。

3. 绝缘胶涂覆技术

本项目封装的高压碳化硅芯片耐压为6000V,如芯片表面不进行绝缘保护会在芯片背面与芯片保护环之间，管壳同芯片之间电场强度集中处产生“打火”现象，损坏芯片。对于温度要求不高的器件，采用传统的硅橡胶绝缘涂覆就能满足要求，难点在于绝缘胶的无空洞涂覆。如果绝缘胶涂覆过程中产生空洞，将降低芯片于管壳或芯片背面与芯片保护环之间的绝缘距离，造成绝缘耐压不够，造成产品满足不了高压应用需要。因此无孔洞涂胶技术是产品能否达到高压应用的关键技术。

实现无空洞绝缘胶涂覆技术需要对以下几个方面进行研究：

①涂胶方法对绝缘胶层有何影响；

②真空排泡对绝缘胶层有何影响；

③固化温度对绝缘胶层质量有何影响。

本项目拟通过以上三方面的研究，选取合适涂胶方法，掌握优化的真空排泡条件，应用最佳的固化温度，完成碳化硅功率芯片的无空洞绝缘胶涂覆。

4. 封盖技术

气密性封盖有多种工艺方法，如电阻焊（平行缝焊、储能焊、点焊）、钎焊、玻璃熔封、激光焊等。本项目所设计管壳结构采用平行缝焊工艺进行封盖。

研究表明，工作期间器件表面凝结的水是导致应用失效的主要原因。与水相关的诸多问题使高可靠应用必须采用气密封装来得到高可靠性及长寿命。

实现高可靠气密性封装需重点研究以下几个方面：

①内部水汽含量控制技术；

②盖板对密封性能的的影响；

③缝焊条件对密封性能的影响。

本项目拟通过以上三方面的研究，选取合适缝焊条件，对工艺过程进行控制降低水汽含量，并对盖板质量提出质量控制要求，完成碳化硅功率芯片的高可靠气密封封装。

根据以上研究内容进行了相关的封装和测试试验，样件通过了芯片剪切力、引线键合强度、高压测试和密封性试验，满足了技术指标要求；高压碳化硅芯片封装技术必将大力推动第三代宽禁带功率半导体产业的发展。

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