摘要：
SiC器件的比导通电阻仅有Si基器件的1/5，在高频、高温、高功率密度的车规级封装领域展现出更大优势，但SiC器件的高通流密度对其散热设计提出了更高要求。虽然高热导率、低工艺温度、高服役温度的银烧结有助于优化功率模块的热管理，但存在烧结银成本过高与电迁移问题。针对上述问题提出了一种针对SiC器件的全铜烧结互连方法，高质量铜互连层的剪切强度超过130MPa。与传统功率模块相比，全铜烧结功率模块的结-壳热阻降低了6.12K/kW（12.47%），动、静态测试结果表明，模块具有良好的电学性能。
引言
SiC器件的热导率是Si基器件的2.375倍，禁带宽度是Si基器件的3倍，最高开关频率是Si基器件的5倍，最高工作结温是Si基器件的3倍以上。对于相同的电压和电流额定值，SiC器件的比导通电阻仅为Si基器件的1/5。同时，SiC器件的比导通电阻还在以每3年下降30%的趋势发展。一方面，器件尺寸与比导通电阻的减小有助于功率模块实现更小的封装体积与更高的功率密度。另一方面，在相同的功率等级下，封装体积的减小使芯片的热量更加难以散发，这对功率模块的封装技术提出了新的挑战。
目前，单面散热功率模块大多采用键合铝线实现功率器件与其他封装材料的顶层互连。但是，对于相同的电压和电流额定值，SiC器件的源极尺寸仅有Si基器件的1/7，源极尺寸的缩小导致可供键合线互连的面积大幅减少，加之SiC器件不断向着高通流密度的方向发展，单根键合线上的电流密度将会显著提升，严重影响功率模块的可靠性。
材料的服役温度在超过其熔点的50%时将发生显著的高温蠕变，而在功率模块中，端子、基板以及散热器间通常使用钎焊料进行连接，在大功率的车载系统中，功率模块的服役温度需要达到150℃，传统的钎焊料较低的服役温度已经严重制约了功率模块的使用寿命。低工艺温度、高服役温度的烧结银、烧结铜能够克服这一缺陷，但鉴于银烧结的成本问题，银烧结功率模块基板与散热器间的大面积连接层依旧只能采用钎焊料进行连接。
针对以上问题，本文提出一种针对SiC器件的全铜烧结互连方法，烧结铜应用于功率模块内部的所有互连层，能够实现更低芯片结温与结-壳热阻并提高功率模块的可靠性。此外，SiC芯片源极表面烧结铜片支持铜线键合，有助于提升模块的功率循环寿命。
1、半桥模块设计
设计的全铜烧结SiC功率模块为半桥模块，功率等级为800V/600A，在单个桥臂上放置8颗SiCMOSFET芯片，全铜烧结功率模块实物与电路拓扑如图1所示。
图2（a）为传统银烧结功率模块的横截面示意图，图2（b）为全铜烧结功率模块的横截面示意图，图2（b）中水冷散热器、直接覆铜（DBC）陶瓷基板、SiCMOSFET芯片以及芯片源极顶部的铜片间全部通过烧结铜进行连接，以取代烧结银与钎焊料。与钎焊料相比，烧结银与烧结铜都具有高热导率、低工艺温度、高服役温度的优点。但烧结铜克服了烧结银价格昂贵、抗电迁移能力弱的缺点，且能够实现各类铜制零件间的同质互连，有效避免了热膨胀系数（CTE）不匹配所导致的热应力问题。
在全铜烧结功率模块中，SiC芯片的顶部互连通过铜线键合实现。与传统的铝键合线相比，铜键合线的热导率与电导率分别是前者的1.7倍与1.6倍，且CTE与SiC材料更加匹配。在SiC芯片源极表面较薄的金属镀层上烧结一层铜片，有利于直接键合铜线，同时减少超声键合给SiC芯片带来的损伤。相较于传统铝线键合封装，源极铜片与铜键合线的引入能够提升1.5倍的电流容量，实现芯片表面更加均匀的温度分布，并提升50倍以上的功率循环寿命。
2、铜烧结互连方法
金属材料的烧结质量与很多因素有关，主要因素包括烧结层厚度、烧结过程中施加的压力、烧结最高温度及其维持时间、烧结气氛等。全铜烧结功率模块制备过程如图3所示，烧结铜膏使用钢网印刷成型，厚度为80μm，使用贴片机将SiC芯片与印刷的烧结铜膏对准。本文采用的低温烧结铜膏来源于芯世创联科技，其铜烧结温度曲线如图4所示，向烧结炉内通入高纯N2作为保护气氛，温度以8℃/min的速率缓慢上升，限制升温速率可以使烧结铜膏内的有机物得以充分挥发，减少气孔的产生，进而得到更加致密的烧结层。当温度达到250℃后，对样品施加15MPa的烧结压强并保持5min，随后样品随炉自然冷却。
待剪切的烧结铜接头如图5所示，使用四周与顶部镀银的小铜块替代芯片，镀银铜块尺寸为3mm×3mm×0.5mm，底部是无氧铜板。铜膏厚度与烧结参数保持与芯片烧结时一致。烧结铜呈粉色，表面光滑平整、无裂纹、致密度高。烧结铜接头剪切力与剪切强度测试结果如表1所示，大于130MPa的平均剪切强度表明烧结铜接头的力学强度已达到相当高的水平。
使用扫描电子显微镜观测烧结铜接头，烧结铜接头无压烧结区域的微观组织形貌如图6（a）所示，可以看到，即使在该区域未施加烧结压力，铜颗粒也发生了明显的烧结行为，颗粒间相互融合并出现了较粗的烧结颈，仅存在少量的铜颗粒仍保留球形。烧结铜接头剪切断口区域的微观组织形貌如图6（b）所示，可以看出，烧结颈存在明显的断裂痕迹，锐利的尖角与凹陷的韧窝表明发生了韧性断裂，这说明烧结铜接头已获得了较好的烧结质量。
3、热阻表征
结构函数分析法是一种用于分析器件热传导路径上各层结构的热学性能（热阻和热容）的方法，它通过将瞬态热测量结果转换为热阻与热容的关系曲线，从而提供热量经过的每一层（从结点到环境）的详细热信息。采用结构函数分析法对全铜烧结功率模块的热阻进行表征，流体工质为25℃的纯水，流速分别为0.8L/min与2.6L/min，使用下桥的体二极管加热，加热电流ISD=300A。
全铜烧结功率模块的校准曲线如图7所示，反映了下桥二极管电压与芯片结温的对应关系。将功率模块接入水冷测试夹具，调整水流速度并在下桥体二极管两端通入电流（ISD），经过一段时间后，发热量与散热量达到动态平衡，此时突然切断电流，记录下桥体二极管两端的电压降变化。结合校准曲线对电压降变化数据进行处理，可以得到功率模块的结构函数。
改变水流流速，可以得到2条结构函数曲线，将2条曲线置于同一坐标系下，曲线分离点即为功率模块的结-壳热阻。在烧结与测试条件均保持一致的情况下，仅以烧结材料作为变量，全铜烧结功率模块在芯片与基板、基板与散热器之间均使用铜烧结，而对照组则采用银烧结功率模块，即在芯片与基板之间使用银烧结，基板与散热器之间使用铅锡焊料，实验采用Heraeus银膏。功率模块结构函数曲线如图8所示，银烧结功率模块的结-壳热阻为49.07K/kW，而全铜烧结功率模块的结-壳热阻为42.95K/kW，与前者相比降低了6.12K/kW（12.47%）。烧结铜热阻与烧结银相当甚至略高，在此条件下，全铜功率模块的结-壳热阻仍比对照组低了12.47%，相比于铅锡焊料，烧结铜更能满足高功率器件的低热阻需求。此外，对于大面积烧结，烧结铜的材料成本远低于银烧结。因此，大面积铜烧结技术在大功率封装领域有巨大的应用潜力和发展前景。
4、电学性能表征
4.1静态电性能表征
利用B1505A功率分析仪完成全铜烧结功率模块的静态电性能参数表征，门极电压VGS=0V时，功率模块漏源极间漏电流曲线如图9（a）所示，在漏源电压VDS=1200V的测试条件下，功率模块上、下桥臂的漏电流均小于0.2μA。
当VGS=15V时，功率模块导通电阻如图9（b）所示，功率模块上、下桥臂的导通电阻值分别约为2.57mΩ与2.90mΩ，与数据手册中8颗SiC芯片并联后的导通电阻值相符。这证明SiC芯片的耐压性能、导通电阻没有受到封装过程的影响。
4.2、动态电性能表征
使用功率器件动态测试仪对功率模块进行双脉冲测试，测试对象为功率模块的下桥臂，上桥臂用作续流，电压电流等级为800V/600A，负载电感为100μH，驱动电阻为10Ω。
功率模块的双脉冲测试结果如图10所示，由双脉冲测试的开通与关断波形可知，全铜烧结功率模块与银烧结功率模块的双脉冲波形基本重合，因此以全铜烧结功率模块的波形作为分析对象。在关断过程中，SiC功率模块的开关速度较快，较大的电流变化率（dI/dt）导致测试回路的寄生电感上产生了一个130.8V的电压过冲。在开通过程中出现了一个98.3A的开通电流过冲，这是由上桥臂续流二极管的反向恢复电流引起的。
双脉冲过程中的导通损耗Eon、关断损耗Eoff分别为94.867mJ与74.657mJ，Eon、Eoff的计算公式与其定义参考标准BSIEC60747-8—2010：
其中，t0为IDS上升至10%额定电流对应的时刻，t1为VDS下降至10%额定电压对应的时刻。
其中，t2为VDS上升至10%额定电压对应的时刻，t3为IDS下降至10%额定电流对应的时刻。
5、结论
本研究成功验证了全铜烧结互连方法在SiC功率模块中的有效性，实现了超过130MPa的剪切强度，显著降低了结-壳热阻（降低了12.47%），并保持了良好的电学性能，显示出铜烧结技术在降低成本和提升性能方面的潜力。与传统的银烧结和钎焊料连接相比，铜烧结技术在降低热阻和提高可靠性方面更具优势，成本效益更高。该研究结果为全铜烧结互连方法在SiC功率模块中的成功应用提供了有力证据。未来的研究将重点探索其长期稳定性和耐久性，并进一步优化烧结工艺，以全面评估铜烧结技术在更广泛的应用场景中的潜力。
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