浅谈功率半导体烧结贴片技术

技术正在不断发展。工业部门跟随发展，公司专注于市场上最需要的应用，根据消费者的需求改变他们的生产重点。AMX 为其烧结压机发明了一种新型烧结工具 Micro-Punch，它可以独立地以特定压力（热敏电阻、IGBT、MOSFET）将每个组件压在基板上，芯片，芯片）。据 AMX 称，Micro-Punch 工具可确保压力均匀并消除以下高价值问题：模具断裂、倾斜、分层和空隙。Micro-Punch 工具对芯片的数量或放置没有限制；它可以适应任何 DBC 尺寸或配置，并且可以独立压制最薄和最小的模具，即使它们彼此非常接近。

加压烧结

银 （Ag）/铜 （Cu） 压力烧结（见图 1）是一种应用于粉末材料（即纳米颗粒）的热处理工艺，以提供更高的强度、完整性和导电性。据 AMX 称，烧结目前被认为是连接电力电子元件的最可靠技术。银烧结膏是目前应用最广泛的材料。熔点约为 960˚C，银烧结膏的热导率介于 130 和 250 W/（m·K） 之间。银烧结膏对环氧树脂具有很高的附着力，可以将组件保持在固定位置以实现出色的管理，并且通常可以提高工艺的总产量。下一代需要铜烧结，特别是为了实现显着的成本节约。与其他粘合方法相比，

• 它具有最佳的导热系数 （》150 W/（m⋅K））。
• 它具有最好的导电系数。
• 它在耐久性测试中提供了最佳结果，甚至比焊接互连好 100 倍。
• 它显示出较高的重熔温度 （》400˚C）。

据 AMX 称，其专利压力烧结技术允许：

• 在 DBC/AMC 和其他电镀基板或裸铜上烧结硅和碳化硅
• 框架/离散
• 嵌入式模具、夹子、垫片等。
• 不同材料、表面和工艺的相互作用

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

图 1：压力烧结示意图

一种新方法：Micro-Punch

在研究过程中，该公司获得了一项创新专利，该创新从烧结工艺中获得了最佳效果，如图 2 所示。这就是 Micro-Punch 系统，它与传统系统完全不同，比以前的系统有了显着的进步用过的。第一个系统由一个单一的压力机组成，它对所有组件施加相同的力。各种部件的任何厚度差异都不可避免地带来问题。换句话说，如果在某个点上面团层稍厚，则所有压机的力都精确地施加在该点上，从而使压力不成比例地增加并增加了材料破裂的风险。

该公司通过 Micro-Punch 系统引入了一项重大创新：现在使用专用压机在每个点上独立施加压力。结果，之前的问题被消除了。AMX 的销售经理 Alessio Greci 说：“AMX 专利彻底革新了这个生产领域。比赛开发了一些中间和替代解决方案，通常将几个压力机分组为子组，但 MicroPunch 系统在可重复性方面表现出色，尤其是在高级包装应用中，尽管拥有成本和处理时间相同。”

图 2：AMX 获得专利的方法之一（右）与经典方法（左）


图 3：AG 烧结技术的演变

最大程度的定制

据 AMX 称，Micro-Punch 系统可定制以满足客户的需求。事实上，他们中的许多人更关心解决方案的准确性和可靠性，而不是其成本。消除材料破损问题是首要要求。当过程中涉及各种类型的电子元件（例如二极管、MOSFET 和热敏电阻的组合）时，这种要求最为明显。使用 Micro-Punch，每个压脚都专用于一个点（见图 4），整个系统能够独立压紧热敏电阻和 IGBT。

此外，根据 AMX 的说法，Micro-Punch 可以对各种电子元件施加不同且独立的压力。通过这种方式，如果客户认为组件更脆并且对高压没有很好的响应，他们可以稍微减小压力。因此，在设计阶段并根据客户的规格，可以在不同的压力和应用的组件之间进行选择。因此，最终生产的机器是定制的，以满足最终用户的需求。例如，可以定义各种活塞之间的压力比，指定一个参数，该参数标识一个活塞的压力必须是另一个活塞的两倍。

“显然，这些最初选择的参数可以在每次回路改变时由客户修改，［他们］ 可以不时修改所施加压力之间的关系，”格雷西说。他继续说道，“Micro-Punch 系统可以处理彼此非常接近的元素，因为理论上这些组件的 GAP 可以为零，并且可以在自由移动的同时相互接触。烧结目前用于半导体应用，例如 SiC。”

图 4：单个冲头允许您单独施加压力。

汽车行业的烧结

在过去的几年里，汽车中的一切都是焊接在一起的。AMX 还在汽车领域实施压力烧结方法，特别是对于超高功率模块。今天，市场需要更大的小型化和高功率，公司的大部分活动都将专注于此类应用。也有带火车的公共交通工具的实现，但它们显然没有空间问题。事实上，小型化主要涉及汽车领域。电源模块的其他应用还涉及数据中心、不间断电源和大型电源变压器。

压力烧结：一组重要参数

不同烧结程序之间的差异与其说是由要烧结的部件类型决定，不如说是由选择和使用的浆料决定。客户可以选择要遵循的粘贴和工作流程。显然有一些初始参数是先验选择的，或多或少是标准的。烧结过程需要大约 250˚C 的温度、15 到 25 兆帕的压力和大约三分钟的时间。这是描述整个过程的起点。

根据初始结果，可以调整一些参数以获得最佳结果。通常，客户会检查力或热力的影响，观察组件对各种类型疲劳的反应，并在显微镜下分析各个零件。通常，这些参数由焊膏制造商设置，并在试验过程中逐个进行微调。最后，压力烧结是一种允许高温密封的工艺，具有高可靠性和完美的可重复性，目前被认为是最好的解决方案。必须评估其他参数，例如温度和热膨胀系数。

双反馈系统

AMX 提供“双反馈”选项。这是一个功能，可避免在向组件施加压力时出错。控制施加在两个方面的压力：

• 在压力机上
• 在施加力的特定点上

使用力传感器进行的双重检查评估施加到压具上的力是否与组件接收到的力一致。了解整个烧结区域后，您可以计算从上方施加的压力以及约束反作用力的理论力，并将其与传感器输出进行比较（见图 5）。事实上，操作者可能会卸下压脚进行清洁，然后忘记更换。在这种情况下，编程压力将与施加到组件上的实际压力不同，从而导致显着的力不平衡。换句话说，当压脚没有施加预期的力时，系统会检测并通知操作员。几个传感器也用于氧气浓度和温度，虽然看似多余，出于安全原因使用（例如，传感器可能会发生故障）。收集所有这些信息是为了获得整个过程的完整概况。

图 5：在压力烧结中，每个压力机都受到控制并且完全独立于其他压力机。