翠展微电子TPAK SiC系列解决方案

翠展微电子

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随着新能源汽车、光伏等产业的快速发展，加速了第三代半导体器件的实际应用，这对模块封装的可靠性提出了更高的挑战。在IGBT的封装失效模式中，焊料的疲劳与键合线故障导致的失效是器件失效的主要原因。在IGBT多层结构中，芯片下方的散热通道是散热的主要途径，芯片下焊料是其中的重要组成部分，也是最容易发生焊料疲劳退化的位置。

IGBT模块多层结构

传统钎焊料熔点低、导热性差，在工作期间产生的热循环过程中，由于材料间CTE差异，在材料间产生交变的剪切热应力，在应力的连续作用下，容易导致焊料层疲劳老化、产生裂纹，进而发展为材料分层，由于裂纹和分层的产生，焊料层与各层材料间的接触面积减小，热阻变大，加速了焊料层的失效，难以满足车规高功率SiC器件封装的可靠性及其高温应用要求。

芯片下焊料层疲劳

键合线材料的选择上因为铝及其合金价格低、热导率高，25℃时为237（W/mK），铝线键合是目前模块封装中应用最广泛的一种芯片互连威廉希尔官方网站 。但由于铝的热膨胀系数23.2×10-6K-1与硅芯片的热膨胀系数4．1×10-6K-1相差较大，在长时间的功率循环过程中容易产生并积累热应力，引起键合线断裂或键合接触表面脱落，导致模块失效。在电流输出能力要求较高的情况下，芯片表面键合引线的数目过多，会引起较大的杂散电感，同时对电流均流也有一定影响。

键合铝线脱落失效

为解决高功率密度车用模块中芯片下焊料疲劳与键合线故障问题，翠展微电子针对Tpak SiC系列封装提出了一个创新解决方案，银浆烧结+铜Clip方案。芯片与AMB间的连接方式采用银浆烧结，代替传统焊料。银的熔点高达961℃，不会产生熔点小于300℃的软钎焊连接层中出现的典型疲劳效应，大幅提高了模块的功率循环能力。同时芯片上表面用leadframe一体化的铜Clip替代铝线键合，减小了模块内部的杂散电感，提升了芯片表面电流的均流性，增强了模块整体的过流能力。铜比铝更优异的导热能力也提升了模块整体的散热能力。有效的提升了模块整体的出流能力和可靠性。

Tpak结构模型

按照AQG-324标准，获取模块在随机激励条件下的振动频率，研究Clip方案模块被迫抵抗外部随机振动的能力与结构设计合理性。

激励条件（宽带随机激励）

PSD功率密度频谱

仿真结果-应力分布

根据仿真结果，模块整体应力较小，最大应力出现在与塑封体相交的铜排端子处部位，其中最大应力不超38MPa，安全系数取1.35，满足安全使用条件。

仿真结果-疲劳寿命

在对应PSD频谱作用下，模块最易损坏的部分是与塑封相交的铜排端子处部位，与模型的应力分布相吻合，其中模块最低寿命为9.9×104s满足22h要求。

电感部分对模块整体电感进行仿真，仿真结果模块电感4.9nH满足设计要求。

仿真结果-电感

前期验证考虑芯片最大结温是否满足芯片耐受温度。使用软件PLECS，依据数据手册计算相应芯片损耗，根据热仿真结果芯片最高温度小于140℃，满足设计要求。

仿真结果-温度分布

总的来说，翠展微电子Tpak器件系列采用银烧结和Clip威廉希尔官方网站 实现了高可靠性、低热阻、低杂散电感器件设计。银烧结威廉希尔官方网站 使用银浆替代传统焊料，降低模块整体热阻，提高芯片和AMB互连的可靠性，有效增强模块的功率循环能力。Clip威廉希尔官方网站 利用Leadframe一体化的铜排代替键合铝线，可以有效的减小模块内部杂散电感，拥有更高的电流输出能力的同时可以增强芯片的散热，提高模块的可靠性。

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