Plata sinterizada: material clave para el embalaje de chips de carburo de silicio
Actualmente, la industria de los semiconductores de potencia se enfrenta al fuerte aumento de los semiconductores de gran brecha, como el SiC y el GaN. Con la expansión incremental del mercado de vehículos eléctricos, los consumidores exigen cada vez más baterías de larga duración y carga ultrarrápida, y sus requisitos de densidad de potencia, temperatura de funcionamiento y confiabilidad de los módulos electrónicos de potencia son cada vez más complejos. El embalaje se ha convertido en la clave para mejorar la confiabilidad y el rendimiento. El embalaje es el portador del dispositivo y la clave para garantizar la fiabilidad de los chips de SiC y aprovechar al máximo su rendimiento.
El uso de carburo de silicio reduce el tamaño del chip, pero la potencia por unidad de área del chip sigue siendo relevante, lo que significa que los módulos de potencia deben depender más de la tecnología de embalaje y los materiales de disipación de calor para proporcionar calor. disipación. En la actualidad, las tecnologías de embalaje tradicionales, como la tecnología de soldadura por soldadura, han alcanzado sus límites de aplicación y se necesitan urgentemente nuevas tecnologías y materiales de embalaje para reemplazarlas.
La temperatura de funcionamiento de los chips de SiC es más alta, los requisitos de embalaje también son muy altos y los requisitos de disipación de calor y confiabilidad también son más estrictos, lo que requiere un seguimiento simultáneo de la tecnología de embalaje y los materiales correspondientes. . En los módulos de potencia tradicionales, el chip se conecta al sustrato mediante soldadura y la interfaz de conexión suele ser un sistema de aleación bifásico o trifásico. Durante los cambios de temperatura, la interfaz de conexión forma una interconexión entre el chip, la aleación de soldadura y el sustrato formando una capa de compuestos metálicos. Actualmente, las soldaduras más utilizadas en envases electrónicos son soldaduras que contienen plomo o soldaduras sin plomo, y sus puntos de fusión son básicamente inferiores a 300 °C. La temperatura de unión de los módulos de potencia que utilizan tecnología de soldadura es generalmente inferior a 65438 ± 050 ℃. Cuando la temperatura está entre 175 y 200 ℃ o incluso por encima de 200 ℃, el rendimiento de la capa de conexión se deteriorará drásticamente, afectando la confiabilidad del módulo.
? ¿Por qué utilizar la tecnología de sinterización de plata? ? En los módulos de potencia tradicionales, el chip se conecta al sustrato mediante soldadura y la interfaz de conexión suele ser un sistema de aleación bifásico o trifásico. Durante los cambios de temperatura, la interfaz de conexión interconecta el chip, la aleación de soldadura y el sustrato formando una capa de compuestos metálicos. Actualmente, las soldaduras más utilizadas en envases electrónicos son soldaduras que contienen plomo o soldaduras sin plomo, y sus puntos de fusión son básicamente inferiores a 300 °C. La temperatura de unión de los módulos de potencia que utilizan tecnología de soldadura es generalmente inferior a 65438 ± 050 ℃. Cuando la temperatura está entre 175 y 200 ℃ o incluso por encima de 200 ℃, el rendimiento de la capa de conexión se deteriorará drásticamente, afectando la confiabilidad del módulo.
En los dispositivos de potencia, el calor que fluye a través de las uniones de soldadura es muy alto, por lo que es necesario prestar más atención al rendimiento térmico de la unión entre el chip y el marco y su capacidad para soportar altas temperaturas sin rendimiento degradante. La resistencia térmica de la plata sinterizada a baja temperatura y sin presión es mucho menor que la de la soldadura, por lo que el uso de plata sinterizada en lugar de soldadura puede mejorar la resistencia térmica de los dispositivos semiconductores, y el alto punto de fusión de la plata también mejora el margen térmico de todo el diseño. .
El modelo térmico de D2PAK muestra los diferentes gradientes de temperatura del chip a la carcasa. En comparación con la soldadura Pb95.5Ag2.5Sn2.0, la plata sinterizada sin presión AS9375 de Renshan New Materials puede reducir la resistencia térmica en un 28%. Por el contrario, la sinterización sin presión del núcleo de plata normalmente puede alcanzar los 200 ℃-300 ℃, lo que hace que la tecnología de sinterización sea una alternativa ideal al proceso de soldadura. Además, la unión de chips es un proceso extremadamente complejo. El uso de tecnología de plata sinterizada para unir chips puede reducir en gran medida los costos de fabricación, eliminar la necesidad de limpieza después del procesamiento y acortar el espacio entre chips.
Resumen de las ventajas de la sinterización de plata Renshan: 1. El cuerpo sinterizado del proceso de sinterización de nanoplata tiene una excelente conductividad eléctrica, conductividad térmica, alta resistencia de unión y alta estabilidad. Los módulos sinterizados mediante este proceso pueden. usarse a altas temperaturas durante mucho tiempo; 2. El proceso de sinterización de nanoplata forma conexiones mecánicas y eléctricas confiables en la capa de sinterización del chip, lo que reducirá la resistencia térmica y la resistencia interna del módulo semiconductor y mejorará la calidad. rendimiento general y confiabilidad del módulo; el material de sinterización es plata pura. No contiene plomo y es un material ecológico.
2. ¿Están las empresas nacionales y extranjeras implementando tecnología de sinterización de plata?
En 2006, Infineon lanzó el formato de embalaje Easypack1, que utiliza tecnología de sinterización de plata de una cara y tecnología de sinterización de plata de doble cara. A través de las correspondientes pruebas de ciclos de alta temperatura, se descubrió que, en comparación con el proceso de soldadura tradicional, la vida útil de los componentes que utilizan tecnología de sinterización de plata de una cara aumenta de 5 a 10 veces, mientras que la vida útil de los componentes que utilizan tecnología de sinterización de plata de doble cara se incrementa en más de 10 veces. Luego, en 2007, Semicon introdujo la tecnología SkinTer. El chip y el sustrato se conectan mediante un proceso de sinterización de nanoplata y se obtiene una capa de plata de baja porosidad con la ayuda de presión a 250°C. En comparación con la capa de soldadura fuerte, la capacidad del ciclo de energía aumenta de 2 a 3 veces, el espesor de la capa sinterizada se reduce en aproximadamente un 70% y la conductividad térmica aumenta aproximadamente 3 veces.
En 2012, Infineon lanzó la tecnología de interconexión XT, en la que chips y sustratos se conectan mediante tecnología de sinterización de plata. Las pruebas de ciclo muestran que la vida útil del módulo de potencia sin placa base aumenta en dos órdenes de magnitud, y la vida útil del módulo con placa base también aumenta más de 10 veces.
En 2015, Mitsubishi Electric utilizó tecnología de sinterización de plata para fabricar módulos de potencia, y el ciclo de vida es aproximadamente 5 veces mayor que el de la soldadura. En mayo de este año, Toshiba afirmó que la recién lanzada tecnología de empaquetado de módulos de potencia de carburo de silicio (SiC), iXPLV, puede duplicar la confiabilidad del producto y reducir el tamaño del paquete en un 20%.
Hace unos meses, Star también dijo en la conferencia de prensa nacional que los tubos individuales de grado automotriz de la serie T6, 1200 V y 750 V, adoptan un proceso de sinterización de plata a baja temperatura y sin presión. Las series N3 y N7 con disipación de calor de doble cara tendrán las versiones correspondientes de carburo de silicio a finales de este año, y la estructura también utiliza tecnología de sinterización de plata de doble cara.
¿Cuál es la resistencia máxima de la plata sinterizada sin presión? ? Los principales problemas encontrados en el desarrollo de la tecnología de sinterización de plata son: el costo de la nanoplata utilizada en la tecnología de sinterización de plata es mucho mayor que el de la soldadura en pasta, el costo de la pasta de plata aumenta con la disminución del tamaño de las partículas de plata y el costo del recubrimiento de metales preciosos de la capa de cobre del sustrato. También aumenta otras tecnologías de sinterización de plata que requieren una cierta presión auxiliar, y una presión auxiliar alta puede dañar fácilmente el chip. La buena noticia es que la sinterización de plata sin presión a baja temperatura lanzada por Renshan New Materials se puede sinterizar sin presión y no dañará el chip. Sin embargo, todo el proceso de precalentamiento y sinterización de sinterización de plata sin presión lleva más de 60 minutos, y la eficiencia de producción es baja, y la cavidad interna de la capa de conexión obtenida mediante la tecnología de sinterización de plata generalmente es del nivel micrométrico o submicrónico; Actualmente no existe ningún método de detección eficaz. Con la electrónica de los automóviles, el uso práctico de los vehículos eléctricos y los HEV y la aparición de los dispositivos de SiC/GaN, los semiconductores de potencia para automóviles se están diversificando. Por ejemplo, no solo han aparecido MOSFET de potencia única, sino también IPD (dispositivos de potencia inteligentes) que integran circuitos integrados (circuitos) de control, y cada vez hay más variedades. El consumo de energía de diversos semiconductores de potencia para automóviles, especialmente los utilizados en vehículos eléctricos e híbridos, está aumentando. Para abordar este problema, es necesario lograr (1) baja resistencia, (2) alta disipación de calor y (3) embalaje de alta densidad. La sinterización de plata a baja temperatura y sin presión es la tecnología clave para resolver este problema.
Renshan New Materials cree que la presión, la temperatura y el tiempo son los principales factores que influyen en la calidad de la sinterización. El tipo y la calidad del recubrimiento, el área de la viruta y la protección de la atmósfera de sinterización también son factores importantes a considerar. Se cree que con la expansión de los escenarios de aplicación de los semiconductores de banda ancha basados en SiC, la tecnología de plata sinterizada se utilizará y promoverá más ampliamente.