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碳化硅模塊那些“難念的經”之銀燒結設備

                                                                                   1、車企與Tier1自建模塊廠

近日，由理想汽車與三安光電共同出資組建蘇州斯科半導體公司，研發及生產基地正式落戶江蘇省蘇州高新區的新聞刷屏朋友圈。

該項目專注第三代半導體碳化硅車規芯片模組研發及生產。今年6月中旬啟動廠房建設，年內竣工后進入設備裝調，預計2023年5月啟動樣品試制，2024正式投產后，將逐步形成年產240萬只半橋生產能力。

在缺芯和供應鏈降本壓力下的車企和Tier1企業，已經幾乎都在考慮或已經在做功率模塊了。而且，相對于IGBT功率模塊，OEM和供應商更傾向把控SiC功率模塊的設計和封裝制造。

                                                                                                                                                                                     圖片圖源：NE時代

一直有朋友問，OEM和Tier1跨界碳化硅模塊，是因為模塊相對晶圓廠來說，技術難度更低，產線成本更低嗎？實際上，出了對規模成本的追求外，驅動OEM和Tier1自建模塊產線的因素有很多，比如新技術的需求，供應鏈問題的刺激，對品質的把控等。

同時，批量供應高可靠性的碳化硅模塊，技術難度是不低的。

總所周知，不論是碳化硅模塊還是硅IGBT，電力電子發展總體目標是提高功率（電流，電壓）——降低半導體控制和開關時損耗——擴展工作溫度的范圍——提高使用壽命，穩定性和可靠性——在降低失誤率的同時簡化控制和保護電路到最后的降低成本。

而在電動車輛中，電力電子器件必須節省空間、重量輕、并且即使在惡劣的條件下也要工作可靠。為了滿足這些要求，傳統基于模塊的封裝方式已經不能適應下游市場發展的需要，目前盡可能從機械方面集成電力電子系統所有的功能，碳化硅、氮化鎵（射頻／非射頻）模塊封裝也向著更高的集成度方向發展。

                                                                             2、第一個難題：銀燒結技術

在芯片與基板的連接中，傳統有基板焊接功率模塊中，焊接連接往往是模塊上的機械薄弱點。由于材料的熱膨脹系數不同、高溫波動和運行過程中的過度負載循環將導致焊料層疲勞，影響模塊可靠性。

目前，銀燒結技術成為國內外第三代半導體封裝技術中應用最為廣泛的技術，美國、日本等碳化硅模塊生產企業均采用此技術。與傳統的高溫無鉛釬料相比，銀燒結技術燒結連接層成分為銀，具有優異的導電和導熱性能，由于銀的熔點高達961℃，將不會產生熔點小于300℃的軟釬焊連層中出現的典型疲勞效應，具有極高的可靠性，且其燒結溫度和傳統軟釬焊料溫度相當。

相比焊接模塊，銀燒結技術對模組結構、使用壽命、散熱產生了重要影響，采用銀燒結技術可使模塊使用壽命提高5-10倍，燒結層厚度較焊接層厚度薄60-70%，熱傳導率提升3倍，國內外諸多廠商把銀燒結技術作為第三代半導體封裝的核心技術，銀燒結技術成為芯片與基板之間連接的不二選擇，同時在此基礎上開發出雙面銀燒結技術，將銀帶燒結在芯片正面代替了鋁線，或取消底板將基板直接燒結在散熱器上，大大簡化了模塊封裝的結構。

                                                                                              雙面燒結技術 

芯片連接采用銀燒結合金而不是焊接，燒結連接熔點更高，這意味著在給定溫度擺幅下連接的老化率將低得多，功率模塊的熱循環能力可增加五倍。

目前銀燒結技術已經由微米銀燒結進入納米銀燒結階段，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。在銀燒結技術中，為了防止氧化和提高氧化層的可靠性，需要在基板裸銅表面先鍍鎳再鍍金或鍍銀，同時燒結溫度控制和壓力控制也是影響模組質量的關鍵因素。

誠然，銀燒結技術具有方面的成本效益，包括高吞吐量、低資本成本、高良率和低人工成本等。時至今日，已經有不少廠商提供采用銀燒結技術制造的功率模塊，為此提供納米銀焊料及相關材料的廠商也有一些。但事實上，設計領域的許多工程師并不了解半導體器件設計和制造的細節，特別是銀燒結技術。

當前，銀燒結技術在發展中遇到的主要問題是：

1、銀燒結技術所用的銀漿成本遠高于焊膏，銀漿成本隨著銀顆粒尺寸的減小而增加，同時基板銅層的貴金屬鍍層也增加了成本；

2、銀燒結技術需要一定的輔助壓力，高輔助壓力易造成芯片的損傷；銀燒結預熱、燒結整個過程長達60分鐘以上，生產效率較低；

3、銀燒結技術得到的連接層，其內部空洞一般在微米或者亞微米級別，目前尚無有效的檢測方法。

實際上燒結溫度、燒結壓力、燒結氣氛都對會銀燒結環節產生較大影響，所以需要高質量的設備來控制這些問題。

                                                                         3、國內外的那些銀燒結設備廠商

首先我們要介紹的肯定是Boschman Technologies。

博世曼科技是荷蘭Boschman Holding子公司，成立于1987年。2014年，Boschman Technologies成為了第一家將工業燒結機引入市場的供應商。與主要材料供應商（例如Alpha、Heraeus和Kyocera）一起，APC（Boschman子公司）率先推出了應用于汽車電力電子產品的加壓燒結工藝。這使這幾家公司成為聯合開發碳化硅MOSFET封裝的合作伙伴并在2016年完成原型產品的開發。

2018年，特斯拉的Model 3采用SiC MOSFET，當時意法半導體還沒有建設燒結生產基礎設施，而且許多工藝都是全新的，他們自己開發需要大量時間，為此他們找到了博世曼科技。特斯拉的早期的碳化硅模塊的組裝（燒結、焊接、引線鍵合、成型、修整和成型）和第一個原型，都由APC完成。

今年4月，有消息稱Boschman被蘇州寶士曼半導體設備有限公司收購，并且將在蘇州建廠。

ASMPT

ASMPT太平洋科技有限公司是全球領先的先進半導體封裝設備及微電子封裝解決方案的最主要的供應商，擁有超過1000多項半導體封裝技術專利，包括超薄芯片、超高精度鍵合及第三代半導體封裝技術等。

公司SilverSAM銀燒結設備，具備專利防氧化及均勻壓力控制技術，除確保基本高強度燒結鍵合，對應導熱性和導電性的要求外，更能提高IPM芯片密度的設計，并配合未來銅燒結鍵合的方向，以達到最優化的成本效益，有效幫助SiC模塊充分發揮高功率的性能。

意大利MAX

根據AMX的說明，他們的專利壓力燒結技術允許：

.在DBC/AMC和其它電鍍基板或裸銅上燒結硅和碳化硅芯片。

.支持成片/分立燒結。

.嵌入式芯片、夾具、墊片等。

.不同材料、表面和工藝的相互作用。

新的應用包括多級互連、集成模塊、元件連接、配電、UPS轉換和存儲、充電站、逆變器、伺服電機、雷達和傳感器等。

                                                                                         壓力燒結示意圖

同時，AMX為其燒結機發明了一種新型的燒結工具，即***頭（Micro-Punch），它可以以特定的壓力獨立地將每個元件（例如：熱敏電阻、IGBT、MOSFET、芯片等）壓在基板上。根據AMX的說法，***頭工具可確保壓力均勻，并消除以下高價值問題：芯片斷裂、傾斜、分層和空隙。***頭工具對芯片數量或位置沒有限制；它可以適應任何DBC尺寸或配置，并且可以獨立沖壓最薄和最小的芯片，即使它們彼此非常接近。

除以上公司外，荷蘭的Besi Singapore、德國PINK GmbH Thermosysteme公司、以及日本的Cosmo等也已進入銀燒結設備競爭中。

同樣，目前國產設備在該環節也已出現部分替代，去年，深圳市先進連接科技有限公司的AS（Ag-Sintering）系列燒結設備就成功中標“比亞迪半導體股份有限公司-燒結設備采購項目”。除此之外，嘉源昊澤、拓鼎電子等半導體設備公司也正在研發中。

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