碳化硅模块那些“难念的经”之银烧结设备

碳化硅模块那些“难念的经”之银烧结设备

                                                                                   1、车企与Tier1自建模块厂

近日，由理想汽车与三安光电共同出资组建苏州斯科半导体公司，研发及生产基地正式落户江苏省苏州高新区的新闻刷屏朋友圈。

该项目专注第三代半导体碳化硅车规芯片模组研发及生产。今年6月中旬启动厂房建设，年内竣工后进入设备装调，预计2023年5月启动样品试制，2024正式投产后，将逐步形成年产240万只半桥生产能力。

在缺芯和供应链降本压力下的车企和Tier1企业，已经几乎都在考虑或已经在做功率模块了。而且，相对于IGBT功率模块，OEM和供应商更倾向把控SiC功率模块的设计和封装制造。

                                                                                                                                                                                     图片图源：NE时代

一直有朋友问，OEM和Tier1跨界碳化硅模块，是因为模块相对晶圆厂来说，技术难度更低，产线成本更低吗？实际上，出了对规模成本的追求外，驱动OEM和Tier1自建模块产线的因素有很多，比如新技术的需求，供应链问题的刺激，对品质的把控等。

同时，批量供应高可靠性的碳化硅模块，技术难度是不低的。

总所周知，不论是碳化硅模块还是硅IGBT，电力电子发展总体目标是提高功率（电流，电压）——降低半导体控制和开关时损耗——扩展工作温度的范围——提高使用寿命，稳定性和可靠性——在降低失误率的同时简化控制和保护电路到最后的降低成本。

而在电动车辆中，电力电子器件必须节省空间、重量轻、并且即使在恶劣的条件下也要工作可靠。为了满足这些要求，传统基于模块的封装方式已经不能适应下游市场发展的需要，目前尽可能从机械方面集成电力电子系统所有的功能，碳化硅、氮化镓（射频／非射频）模块封装也向着更高的集成度方向发展。

                                                                             2、第一个难题：银烧结技术

在芯片与基板的连接中，传统有基板焊接功率模块中，焊接连接往往是模块上的机械薄弱点。由于材料的热膨胀系数不同、高温波动和运行过程中的过度负载循环将导致焊料层疲劳，影响模块可靠性。

目前，银烧结技术成为国内外第三代半导体封装技术中应用最为广泛的技术，美国、日本等碳化硅模块生产企业均采用此技术。与传统的高温无铅钎料相比，银烧结技术烧结连接层成分为银，具有优异的导电和导热性能，由于银的熔点高达961℃，将不会产生熔点小于300℃的软钎焊连层中出现的典型疲劳效应，具有极高的可靠性，且其烧结温度和传统软钎焊料温度相当。

相比焊接模块，银烧结技术对模组结构、使用寿命、散热产生了重要影响，采用银烧结技术可使模块使用寿命提高5-10倍，烧结层厚度较焊接层厚度薄60-70%，热传导率提升3倍，国内外诸多厂商把银烧结技术作为第三代半导体封装的核心技术，银烧结技术成为芯片与基板之间连接的不二选择，同时在此基础上开发出双面银烧结技术，将银带烧结在芯片正面代替了铝线，或取消底板将基板直接烧结在散热器上，大大简化了模块封装的结构。

                                                                                              双面烧结技术 

芯片连接采用银烧结合金而不是焊接，烧结连接熔点更高，这意味着在给定温度摆幅下连接的老化率将低得多，功率模块的热循环能力可增加五倍。

目前银烧结技术已经由微米银烧结进入纳米银烧结阶段，纳米银烧结与微米银烧结技术相比连接温度和辅助压力均有明显下降，极大扩大了工艺的使用范围。在银烧结技术中，为了防止氧化和提高氧化层的可靠性，需要在基板裸铜表面先镀镍再镀金或镀银，同时烧结温度控制和压力控制也是影响模组质量的关键因素。

诚然，银烧结技术具有方面的成本效益，包括高吞吐量、低资本成本、高良率和低人工成本等。时至今日，已经有不少厂商提供采用银烧结技术制造的功率模块，为此提供纳米银焊料及相关材料的厂商也有一些。但事实上，设计领域的许多工程师并不了解半导体器件设计和制造的细节，特别是银烧结技术。

当前，银烧结技术在发展中遇到的主要问题是：

1、银烧结技术所用的银浆成本远高于焊膏，银浆成本随着银颗粒尺寸的减小而增加，同时基板铜层的贵金属镀层也增加了成本；

2、银烧结技术需要一定的辅助压力，高辅助压力易造成芯片的损伤；银烧结预热、烧结整个过程长达60分钟以上，生产效率较低；

3、银烧结技术得到的连接层，其内部空洞一般在微米或者亚微米级别，目前尚无有效的检测方法。

实际上烧结温度、烧结压力、烧结气氛都对会银烧结环节产生较大影响，所以需要高质量的设备来控制这些问题。

                                                                         3、国内外的那些银烧结设备厂商

首先我们要介绍的肯定是Boschman Technologies。

博世曼科技是荷兰Boschman Holding子公司，成立于1987年。2014年，Boschman Technologies成为了第一家将工业烧结机引入市场的供应商。与主要材料供应商（例如Alpha、Heraeus和Kyocera）一起，APC（Boschman子公司）率先推出了应用于汽车电力电子产品的加压烧结工艺。这使这几家公司成为联合开发碳化硅MOSFET封装的合作伙伴并在2016年完成原型产品的开发。

2018年，特斯拉的Model 3采用SiC MOSFET，当时意法半导体还没有建设烧结生产基础设施，而且许多工艺都是全新的，他们自己开发需要大量时间，为此他们找到了博世曼科技。特斯拉的早期的碳化硅模块的组装（烧结、焊接、引线键合、成型、修整和成型）和第一个原型，都由APC完成。

今年4月，有消息称Boschman被苏州宝士曼半导体设备有限公司收购，并且将在苏州建厂。

ASMPT

ASMPT太平洋科技有限公司是全球领先的先进半导体封装设备及微电子封装解决方案的最主要的供应商，拥有超过1000多项半导体封装技术专利，包括超薄芯片、超高精度键合及第三代半导体封装技术等。

公司SilverSAM银烧结设备，具备专利防氧化及均匀压力控制技术，除确保基本高强度烧结键合，对应导热性和导电性的要求外，更能提高IPM芯片密度的设计，并配合未来铜烧结键合的方向，以达到最优化的成本效益，有效帮助SiC模块充分发挥高功率的性能。

意大利MAX

根据AMX的说明，他们的专利压力烧结技术允许：

.在DBC/AMC和其它电镀基板或裸铜上烧结硅和碳化硅芯片。

.支持成片/分立烧结。

.嵌入式芯片、夹具、垫片等。

.不同材料、表面和工艺的相互作用。

新的应用包括多级互连、集成模块、元件连接、配电、UPS转换和存储、充电站、逆变器、伺服电机、雷达和传感器等。

                                                                                         压力烧结示意图

同时，AMX为其烧结机发明了一种新型的烧结工具，即***头（Micro-Punch），它可以以特定的压力独立地将每个元件（例如：热敏电阻、IGBT、MOSFET、芯片等）压在基板上。根据AMX的说法，***头工具可确保压力均匀，并消除以下高价值问题：芯片断裂、倾斜、分层和空隙。***头工具对芯片数量或位置没有限制；它可以适应任何DBC尺寸或配置，并且可以独立冲压最薄和最小的芯片，即使它们彼此非常接近。

除以上公司外，荷兰的Besi Singapore、德国PINK GmbH Thermosysteme公司、以及日本的Cosmo等也已进入银烧结设备竞争中。

同样，目前国产设备在该环节也已出现部分替代，去年，深圳市先进连接科技有限公司的AS（Ag-Sintering）系列烧结设备就成功中标“比亚迪半导体股份有限公司-烧结设备采购项目”。除此之外，嘉源昊泽、拓鼎电子等半导体设备公司也正在研发中。

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