文章來源：學習那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了模塊封裝的關鍵工藝。

模塊封裝的關鍵工藝

區別于分立器件模塊的制造有一些特別的關鍵工藝技術，如銀燒結、粗銅線鍵合、端子焊接等。以下分別就這些關鍵技術做些介紹，分述如下

1、銀燒結

銀燒結的優勢

銀燒結技術對比傳統的焊料結合具有顯著優勢：

機械強度與致密度：銀燒結形成的連接層具有更高的機械強度和致密度，能夠承受大電流、高電壓帶來的大功率應用需求。

導電導熱性能：由于銀燒結是固相連接，形成原子間相互擴散的致密連接層，因此其導電、導熱的效率和性能都比焊料有著明顯的提高。

可靠性：銀燒結連接層能夠在溫度和應力循環過程中保持固相連接層的強度，其可靠性表現可以達到15萬次以上的功率循環而不產生裂紋。

銀燒結的應用場景

銀燒結通常用于大功率應用場所，如碳化硅等第三代寬禁帶半導體材料的模塊封裝。這些材料比傳統的硅基材料的結溫高，達到200℃以上，而一般硅基材料在175℃以上就會出現失效。因此，銀燒結技術在大功率模塊場合具有廣泛應用前景，特別是在汽車等領域。

銀燒結的材料與工藝

材料：銀燒結用到的銀有納米銀和直徑0.1μm左右的非納米銀，其應用場景有所不同。納米銀燒結與微米銀燒結技術相比，連接溫度和輔助壓力均有明顯下降，極大擴大了工藝的使用范圍。

工藝：銀燒結的燒結工藝分有壓和無壓兩種。

無壓燒結：通過粉末顆粒間的自有力和熱運動來實現材料的致密化，無需外部壓力的作用。其熱傳導率大約在100W/(m·K)，差不多是有壓燒結的一半，但對比銀膠1~5W/(m·K)和焊料的35~65W/(m·K)還是有顯著性的提高。

有壓燒結：其可靠性最好，但工藝設備要求也比較復雜。工藝過程包括粉末制備、混合與成型、燒結以及后續處理等步驟。在燒結過程中，需要精確控制燒結溫度、壓力和時間等參數以確保連接質量。

銀燒結技術的發展趨勢

隨著碳化硅等第三代寬禁帶半導體材料的廣泛應用，銀燒結技術作為大功率模塊制造的首選工藝，其發展趨勢將更加明顯。未來，銀燒結技術有望成為標準配置，在大功率模塊封裝領域發揮更加重要的作用。

2、粗銅線鍵合

內互聯是封裝過程中實現電特性與外部連接的關鍵環節。傳統的內互聯方式，如綁線（Wire Bonding），在功率模塊中主要采用鋁線超聲波壓焊技術。

然而，隨著功率模塊向大功率、高功率密度方向的發展，尤其是采用碳化硅等高結溫第三代功率半導體器件后，對內互聯的電阻、電感等寄生參數以及散熱性能的要求越來越高。因此，粗銅線鍵合技術應運而生，成為提升性能和生產靈活性的重要工藝方法。

粗銅線鍵合技術的優勢

粗銅線鍵合技術相比傳統的鋁線超聲波壓焊技術具有顯著優勢：

導電率和導熱性提升：銅線的導電率和導熱性優于鋁線，有助于降低內互聯電阻和電感，提高模塊的散熱性能。

可靠性增強：銅線鍵合技術通過優化焊接工藝和界面處理，提高了焊接接頭的可靠性和穩定性。

靈活性高：粗銅線鍵合技術可以適應模塊內芯片不同布局帶來的互聯要求變化，保持生產的靈活性。

粗銅線鍵合技術的實現

芯片表面處理：由于芯片表面一般為鋁材質，直接使用銅線進行焊接容易刺穿鋁層并損傷芯片電路層。因此，需要在芯片表面制作一層薄銅層，以保護芯片并增強焊接可靠性。這層銅層的厚度通常在50μm左右，可以通過電鍍或燒結銀的方法實現。

電鍍法：采用電鍍法在代工廠直接制作銅薄層，該方法工藝成熟，質量可控。

燒結銀法：開發了通過燒結銀將薄銅片燒結在芯片表面的方法，該方法適用于多種芯片類型，具有較高的靈活性和可靠性。

銅箔層制作：為了實現粗銅線鍵合，需要先在芯片表面制作一層銅箔層。的DTS技術采用了一種創新的銅箔層制作工藝流程。該工藝將銅片制成類似晶圓的方式貼在膜上，在銅片背面布敷燒結銀材料，然后通過類似裝片中處理芯片的方式拾取銅片并瞄準將其貼裝到芯片表面，施加一定溫度和時間完成燒結。

超聲波冷壓焊：在完成銅箔層制作后，采用超聲波冷壓焊技術將粗銅線焊接到銅箔層上。該過程通過壓緊焊材和母材并施加高頻振動摩擦以產生塑性變形，進而形成互聯接頭。由于銅和銅之間的焊接可靠性高于銅和鋁之間，因此這種方法可以顯著提高焊接接頭的可靠性。

粗銅線鍵合技術的應用前景

粗銅線鍵合技術以其獨特的優勢在功率模塊封裝領域展現出廣闊的應用前景。隨著第三代功率半導體器件的廣泛應用和功率模塊性能要求的不斷提高，粗銅線鍵合技術將成為提升模塊性能和生產靈活性的重要手段。未來，該技術有望在大功率、高功率密度模塊封裝領域得到更廣泛的應用和推廣。

3、端子焊接

端子焊接是功率模塊封裝中至關重要的環節，其焊接質量直接關系到模塊的使用性能和壽命。在大功率、高電壓、大電流的應用場景下，焊接質量的重要性尤為突出。

端子焊接的挑戰

傳統的焊料釬接連接外端子方式在面臨大功率、高電壓、大電流的應用時存在明顯弊端。由于焊料界面的熱量積聚，當溫度接近或超過焊料熔點時，焊料層會軟化并可能導致脫落，從而影響模塊的功能和使用壽命。

超聲波壓力焊的應用

為了解決上述問題，超聲波壓力焊被廣泛采用。與超聲波鍵合不同，超聲波壓力焊在能量和焊材方面有所調整，以適應端子焊接的特殊需求。

焊材選擇：端子材料通常為銅，而DBC（Direct Bonded Copper，直接敷銅陶瓷基板）表面也是銅。由于沒有了脆弱的芯片限制，可以采用更為嚴格的焊接規范。

焊接過程：在超聲波壓力焊過程中，通過加大振幅能量和壓力，使得同種金屬（銅與銅）之間的摩擦加劇，相互間的塑性流動更充分。在壓力作用下，金屬間形成可靠的焊點，從而確保焊接的牢固性和穩定性。

超聲波壓力焊的優勢

可靠性高：超聲波壓力焊通過充分的金屬間摩擦和塑性流動，形成可靠的焊點，提高了焊接的牢固性和穩定性。

適應性強：該技術適用于大功率、高電壓、大電流的應用場景，能夠滿足不同模塊對焊接質量的要求。

工藝可控：通過調整振幅能量和壓力等參數，可以精確控制焊接過程，確保焊接質量的一致性和穩定性。

端子焊接的注意事項

焊接參數優化：根據具體的模塊和應用場景，優化焊接參數（如振幅能量、壓力、焊接時間等），以確保焊接質量。

焊接質量檢測：對焊接后的端子進行質量檢測，包括外觀檢查、力學性能測試和電性能測試等，以確保焊接質量符合設計要求。

焊接過程控制：在焊接過程中，需要嚴格控制溫度、壓力和時間等參數，以避免焊接缺陷和不良品的產生。

綜上，端子焊接技術是功率模塊封裝中不可或缺的一環。通過采用超聲波壓力焊等先進的焊接技術，可以確保焊接質量的高可靠性和穩定性，從而滿足大功率、高電壓、大電流應用場景的需求。