陶瓷基板在電力模塊領(lǐng)域的應(yīng)用

目前設(shè)計工程師都選擇直接敷銅（DBC）和活性金屬釬焊（AMB）基板作為電力模塊中半導(dǎo)體裸芯片的電路材料，這是因為這種基板能夠使半導(dǎo)體的熱量有效消散，并延長模塊的使用壽命。但是工藝和生產(chǎn)工程師首先應(yīng)建立這些模塊，他們必須謹(jǐn)慎地加入多個部件，并將它們連接在一起，以提供所需的電氣、熱力、化學(xué)和機(jī)械功能。下面內(nèi)容中，我們將基于一個典型的生產(chǎn)流程，重點(diǎn)描述基板在裝配工過程中每一步的最重要特征。

一，芯片貼裝

      第一步通常是將多個半導(dǎo)體芯片貼裝到基板上。理想的做法是將芯片直接壓裝到基板上。因為這種連接工藝無需額外材料，所以能在很大程度上降低芯片和基板之間的熱變電阻，并提高可靠性。但是，雖然不斷實施一些有望的研發(fā)活動，但是該方法目前并不常用，這是因為它需要彈簧觸點(diǎn)和專用泡棉，以便施加充足且均勻的壓力，同時不損壞芯片。而且基板必須基本平整，非常干凈，無劃痕、齒形缺口、凸起等瑕疵。然而直到今天，焊接還是最常用的芯片貼裝技術(shù)。因為該工藝可以在不同的還原環(huán)境中使用不同的膏狀或粗加工焊料合金，使用或不使用助焊劑，并通過加熱板、高溫光線或蒸汽傳遞熱量，所以該工藝過程是不同的。但是在任何情況下，該工藝都在真空條件下進(jìn)行，以免形成孔隙，否則會影響熱傳遞。而且基板表面上的焊料潤濕性也很關(guān)鍵。無論是裸銅、鎳還是金表面，都必須避免污染。這可以通過基板的恰當(dāng)清理、包裝、運(yùn)輸、儲存和裝卸實現(xiàn)。因為操作員必須嚴(yán)格遵守這些說明，所以應(yīng)對操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，加強(qiáng)他們的清潔意識。

銀燒結(jié)是一種可替代的芯片貼裝技術(shù)，且在近幾年這種技術(shù)日益重要。在該工藝中，在壓力和250°C左右的溫度下，將以膏狀或薄膜形態(tài)的納米銀或銀微粒燒結(jié)在一起，形成一個薄薄的銀燒結(jié)層。由于這種銀燒結(jié)層的熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱系數(shù)高且燒結(jié)層非常薄，所以它在熱變電阻和可靠性方面比傳統(tǒng)焊料層好得多。但是該工藝仍舊還是新工藝，需要新設(shè)備來施加所需的壓力。隨著新型燒結(jié)設(shè)備和新型燒結(jié)材料的出現(xiàn)，提出了新的基板要求，其中最重要的是表面粗糙度降低和鍍銀表面。另外，已經(jīng)開發(fā)出了一種選擇性鍍銀工藝，它能僅在芯片區(qū)域的需要位置提供鍍銀表面。

二，基板的選用

       第二步是將帶有半導(dǎo)體裸芯片的基板固定到一個銅制或鋁碳化硅底板上。對于需要將多個基板裝到一個超大底板上的大功率模塊來說，尤其如此。而且對于芯片貼裝，焊接是最常用的技術(shù)，同時燒結(jié)法也日益受到關(guān)注。但是由于待連接的表面較大，所以該工藝步驟比芯片貼裝更重要?，F(xiàn)在除了清潔度、表面鍍層、粗糙度和瑕疵以外，基板和底板的翹曲度也非常重要，如果控制不當(dāng)，則可能嚴(yán)重影響產(chǎn)量。而且因為帶有元件的基板和底板的價值較高，所以隨著成品率損失增加，相關(guān)成本也較高。

對于僅需要一個基板的中低功率模塊，模塊制造商都避免使用底板。因為模塊外殼帶有螺釘和彈簧觸點(diǎn)，可以在整個基板表面提供充足、均勻的壓力，所以可以不使用底板。因此，若終端用戶遵照安裝說明，并在模塊和散熱片之間使用正確、充足數(shù)量的導(dǎo)熱膠，即可實現(xiàn)與散熱片的完美接觸。遺憾的是，過去事實并非總是如此，所以模塊制造商必須處理很多投訴。與此同時，很多模塊制造商將一系列帶有預(yù)涂導(dǎo)熱膠的模塊投放市場，以免出現(xiàn)上述問題。與帶底板的模塊不同的是，無底板模塊的基板背面直接暴露到周圍環(huán)境中。因此如果在供應(yīng)鏈上不采取保護(hù)措施，那么該表面易于氧化或污染。例如，因為裸銅表面的輕微氧化易于發(fā)現(xiàn)，所以很多模塊制造商更喜歡使用鎳或金表面。而且，對于帶底板的連接工藝來說可以接受的小瑕疵通常是終端用戶關(guān)心的問題，盡管這些小瑕疵不影響模塊在系統(tǒng)中的性能，但是還需要更多調(diào)查結(jié)果證明它們僅是美觀問題，但對應(yīng)用無不良影響。

三，陶瓷基板有效實現(xiàn)電力模塊的電氣連接

      在一個電力模塊中，多個裝置必須并聯(lián)或串聯(lián)在一起，并最終與模塊終端相連。但是大

部分半導(dǎo)體是縱向芯片，底部和頂部均有電極觸點(diǎn)。作為一種電路材料，一個基板本身不能將所有這些觸點(diǎn)連接在一起。在大部分傳統(tǒng)做法中，頂部和底部之間的芯片觸點(diǎn)（串聯(lián)）或頂部和頂部之間的芯片觸點(diǎn)（并聯(lián)）的連接通過鋁導(dǎo)線實現(xiàn)。用于該目的的導(dǎo)線直徑通常是100 μm~ 500 μm。若該導(dǎo)線必須與基板表面連接，相應(yīng)的凸起或孔隙等瑕疵會不可避免的對導(dǎo)線鍵合工藝有所影響。我們的操作員和自動光學(xué)檢測設(shè)備尤其注意相應(yīng)的導(dǎo)線鍵合區(qū)域，從而保證交付的基板符合相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。

多年前模塊制造商已經(jīng)知道鋁導(dǎo)線會限制模塊的可靠性。他們已經(jīng)研發(fā)了新材料和新技術(shù)，來代替鋁導(dǎo)線，例如銅導(dǎo)線或銅帶和柔性電路。另一種方法是使用以夾心形式布置的兩個基板，每側(cè)均安裝芯片。該方法對平整度和平行度的要求增加，為模塊設(shè)計和基板帶來了新挑戰(zhàn)。但是也提供了另一個散熱路徑，這種雙面散熱方法日益流行。

最后，模塊端子可以通過超聲波焊接工藝，焊接或貼裝到基板上。因為貼裝無需附加材料，且能實現(xiàn)銅對銅直接接觸，所以貼裝有顯著的可靠性優(yōu)勢。若不謹(jǐn)慎選擇基板的工藝參數(shù)和設(shè)計，那么在該工藝實施期間作用到基板上的作用力和機(jī)械振動可能造成陶瓷層損壞。

四，塑封

      為了提供機(jī)械剛性，并保護(hù)器件裝置不受周圍環(huán)境中的濕度和其它化學(xué)物質(zhì)的影響，用硅凝膠、環(huán)氧樹脂或塑封料密封帶有元件的基板。這些密封材料是保證所需絕緣效果的關(guān)鍵。基板表面缺少粘附力，或塑封材料中有氣泡都可能造成在使用期間絕緣失效。為了根據(jù)塑封材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）、彈性模量和玻璃化溫度優(yōu)化密封材料的粘附性，可能必須對基本表面進(jìn)行特殊處理或表面處理。因為芯片結(jié)溫的持續(xù)升高，且必須證明能夠經(jīng)得住較高溫度的新塑封材料是否合格，所以要不斷進(jìn)行與此相關(guān)的很多研發(fā)。

      在整個生產(chǎn)流程上，基板對于產(chǎn)線的良率、以及在后期使用期間實現(xiàn)模塊的設(shè)計性能來說是很重要的。金瑞欣陶瓷基板加工技術(shù)工藝成熟，在電子電力模塊方面的客戶也有合作，客戶反饋陶瓷基板性能良好，更多陶瓷基板相關(guān)問題可以咨詢金瑞欣特種電路。