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功率芯片的键合

2025-10-17 13:43:36

功率芯片设计到两种键合技术-内部键合和外部键合。内部键合是指在芯片侧的电气连接;外部键合是指器件和环境之间的电气连接。

根据功率半导体芯片的类型,像IGBT和功率MOSFET都至少有三个接触点:栅极、发射极/源极、集电极/漏极,有些还有集成芯片上温度测量或电流测量功能的需求,所以还可能会需要更多连接端子。

功率半导体芯片内部连接采用键合工艺,而外部连接采用焊接工艺。

内部电气连接

1、芯片焊接

在标准的功率芯片模块中,功率芯片背部金属通过焊接工艺焊接到DBC上,焊接炉中需要真空环境,用以防止芯片和DBC之间形成气泡空洞等。这些气泡空洞会导致接触不足,增加模块热阻,从而导致功率模块损坏。因目前的规范限制,现在大多数制造商都会使用无铅焊料。

2、系统焊接

系统焊接则是把DBC连接到底板上,如下图所示。底板的材料通常是氮化铝或氧化铝,则根据材料不同,焊接工艺自然也会不同。最常用的氧化铝焊料就是无铅的,但是焊接CuSiCAl基板与氮化铝DBC衬底的焊料大多数都是含铅的。同样,DBC衬底和底板之间的焊料充分浸润也是非常关键的。正如芯片焊接一样,气泡空洞会增加热阻,这会导致功率模块过早老化甚至直接失效。

3、超声焊接

几乎所有的功率芯片上的引线键合技术工艺都会采用超声键合。对于IGBT功率模块,40-100kHz的超声波微焊工艺适用于Al线和芯片Pad的焊接。超声波可以消除金属层上的氧化层,使得焊接线牢固地附着在芯片表面地金属上,这样也可以降低器件地热应力。

目前存在两种不同的超声焊接工艺:细线键合和粗线键合。

铜线键合技术是目前一种新的焊接工艺,但是剪切工艺有所不同,这是因为Cu线质地较硬,所以不能像Al线键合一样剪切Cu线。

Al线键合

因为与Cu线、Au线相比,Al线质地较软、应力较小、成本低、导电性良好,故而在功率模块封装电极互连技术中得到了广泛应用。Al线的直径越大,通流能力越强,但是键合相关的工艺参数值也会越大,会对功率芯片带来潜在的损害。

Al线键合的键合界面可以是芯片表面金属AlDBC中金属Cu层,也可以是电极端子表面上键合。

Al线键合的质量要求是:Al线键合Bonding表面应当光亮、平滑,形变的横向尺寸(键合点宽度)应当控制Al线之间的3/2~5/3,相邻Bongding之间需要保留一定距离。

目前,对Al线键合工艺的可靠性一般都采用破坏性的抽样检测,测试项目则是拉力和剪切力测试。

拉力测试是将拉钩从Al线下面中间位置以一定速度向上拉动直至Al线被破坏,传感器会感知和保留拉钩承受的最大拉力值,即拉力测试数值。拉力测试的合格标准是被拉的Al线从中间断开,拉力值大于规范值。如果Al线键合Bonding脱落或拉力值偏小等都会被判定不合格。

剪切力测试则是将推刀沿着键合表面以一定速度推Al线键合Bonding直至脱落,传感器会感知和保留推刀承受的最大阻力值即剪切力测试数值。剪切力测试的合格标准是剪切力值大于规范值。

影响Al线键合质量的因素主要是:压力、功率、时间和界面状态。

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作者: 深圳市亿伟世科技有限公司
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