陶瓷基板在電力模塊領域的應用

目前設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體裸芯片的電路材料，這是因為這種基板能夠使半導體的熱量有效消散，并延長模塊的使用壽命。但是工藝和生產工程師首先應建立這些模塊，他們必須謹慎地加入多個部件，并將它們連接在一起，以提供所需的電氣、熱力、化學和機械功能。下面內容中，我們將基于一個典型的生產流程，重點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。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清理、包裝、運輸、儲存和裝卸實現(xiàn)。因為操作員必須嚴格遵守這些說明，所以應對操作人員進行培訓，加強他們的清潔意識。

銀燒結是一種可替代的芯片貼裝技術，且在近幾年這種技術日益重要。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在一起，形成一個薄薄的銀燒結層。由于這種銀燒結層的熔點高、導熱系數(shù)高且燒結層非常薄，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，需要新設備來施加所需的壓力。隨著新型燒結設備和新型燒結材料的出現(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，同時燒結法也日益受到關注。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。現(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，則可能嚴重影響產量。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，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涂導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。因此如果在供應鏈上不采取保護措施，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，但是還需要更多調查結果證明它們僅是美觀問題，但對應用無不良影響。

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

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

多年前模塊制造商已經知道鋁導線會限制模塊的可靠性。他們已經研發(fā)了新材料和新技術，來代替鋁導線，例如銅導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。若不謹慎選擇基板的工藝參數(shù)和設計，那么在該工藝實施期間作用到基板上的作用力和機械振動可能造成陶瓷層損壞。

四，塑封

      為了提供機械剛性，并保護器件裝置不受周圍環(huán)境中的濕度和其它化學物質的影響，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行特殊處理或表面處理。因為芯片結溫的持續(xù)升高，且必須證明能夠經得住較高溫度的新塑封材料是否合格，所以要不斷進行與此相關的很多研發(fā)。

      在整個生產流程上，基板對于產線的良率、以及在后期使用期間實現(xiàn)模塊的設計性能來說是很重要的。金瑞欣陶瓷基板加工技術工藝成熟，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，更多陶瓷基板相關問題可以咨詢金瑞欣特種電路。