在傳統(tǒng)意義上，硅功率器件如IGBT或MOSFET通過焊接固定在金屬陶瓷基板上，使用鋁線鍵合作為互連接技術，并使用焊膏或導熱脂將功率模塊連接到底板或散熱器。這樣的結構如圖1(左)所示。

　　隨著碳化硅(SIC)寬禁帶(WBG)器件在汽車、新能源和工業(yè)應用中的快速引入，功率模塊封裝技術必須發(fā)生重大變化。SiC器件如二極管或MOSFET能夠在更高溫度下工作，增加功率密度，從而對封裝材料施加更大的熱機械應力。圖1(右)展示了一種優(yōu)化后的封裝概念，旨在與WBG半導體結合，實現(xiàn)最高的可靠性和最大效率。

圖1

　　未來的模塊配備了Heraeus Die Top System，支持在芯片頂部進行銅(Cu)線鍵合，并結合銀(Ag)燒結技術將芯片連接到基板上。傳統(tǒng)封裝中的Al2O3基金屬陶瓷基板必須被高導熱性的Si3N4基活性金屬釬焊(AMB)基板取代，以提高可靠性和性能(圖1，右)。最后，將模塊連接到底板的焊接材料被高可靠性和高導熱性的Ag燒結材料取代。這一過程稱為“大面積燒結”，因為整個模塊被燒結到散熱器上。

　　圖2展示了使用大面積燒結代替焊接帶來的熱性能改進，從完全焊接的封裝概念(左，Tmax = 193°C)變?yōu)橥耆珶Y的封裝概念(右，Tmax = 171°C)，模擬結果顯示芯片溫度下降了22°C。熱阻的改進允許使用更小的芯片以實現(xiàn)相同的輸出功率，從而更具成本效益，或者在相同的總體成本下通過相同的半導體傳輸更多的電流。此外，關于熱循環(huán)期間接頭可靠性的問題也是必須考慮的關鍵方面之一。

　　大面積燒結對于超出300 mm2的區(qū)域仍然是一項相對年輕的技術，使用這種技術的模塊在實際應用中還不多。然而，隨著乘用車快速電氣化和汽車制造商追求最高的可靠性，預計需求將增加。這一趨勢對燒結膏制造商如Heraeus和燒結壓機供應商如AMX Automatrix提出了新的要求。雖然芯片尺寸限制了芯片附著，但大面積燒結的區(qū)域顯著更大——在>2,500 mm2范圍內，取決于模塊的大小。多種概念已出現(xiàn)，如將模塊置于濕膏或干膏中的濕布置和干布置，多種膏體應用方法如模板印刷或分配，各有其特定的優(yōu)缺點。因此，必須為每個封裝仔細選擇合適的膏體、應用方法和燒結技術。

圖2

　　Heraeus大面積燒結膏的變種

　　Heraeus針對大面積燒結的趨勢開發(fā)了兩種Ag壓力燒結膏，PE360P和PE360D，如圖3所示。本節(jié)重點介紹PE360P的接頭性能;分配性能的結果預計相同，將在其他地方討論。

　　PE360P設計用于模板或絲網印刷等印刷應用，確保在印刷機上有超過8小時的可加工性。PE360P被設計用于將40 × 40 mm2到100 × 100 mm2范圍內的模塑封裝或裸基板放置在預干燥的膏體上。對于這種尺寸，干布置過程是有利的，因為膏體的干燥過程是在沒有覆蓋模塊或底板的情況下完成的，這確保了在實際燒結過程之前有效蒸發(fā)溶劑和添加劑。然而，模塊和底板的翹曲影響是干布置過程的一個缺點，需要解決。圖4顯示了干布置和濕布置的流程。

圖3

　　圖5展示了PE360P膏體性能的一個例子。帶銀表面的AMB基板被燒結到由銅制成的平底板上。底板用于燒結時，表面可以是裸銅表面或鍍銀。燒結在AMX P101設備上進行，壓力為20 MPa，溫度為250°C，時間為5分鐘，環(huán)境為氮氣。燒結前膏體完全干燥。相應的超聲波掃描顯示了優(yōu)良的連接，幾乎沒有可見的空隙，表明基板和散熱器之間的熱和機械連接是最佳的。

圖4

圖5

　　此外，燒結接頭的可靠性經過了溫度循環(huán)測試(TCT)。為此，帶有0.3 mm銅厚度的鍍銀AMB基板被燒結到鍍銀銅芯底板上(P360P膏體，燒結溫度230°C，燒結時間5分鐘，壓力12 MPa)。經過1000次循環(huán)和2000次循環(huán)的熱沖擊后，通過超聲波掃描檢查分層區(qū)域。圖6展示了結果圖片。經過1000次熱循環(huán)后，使用大面積燒結幾乎沒有看到分層現(xiàn)象。僅在測試樣品的角落檢測到少量缺陷，這些位置發(fā)生的應力水平最高。分層主要位于連接的底板一側。經過2000次TCT，幾乎沒有變化，證明了燒結接頭的優(yōu)良可靠性。

　　P201X HS大面積設備

　　應對來自汽車行業(yè)和一級供應商的顯著需求，AMX擴展了其現(xiàn)有設備組合，專門針對大面積燒結應用打造了專用機械，以滿足迫切需求。

　　在此計劃中，燒結面積顯著增加，研發(fā)單元(X-Sinter P55)的尺寸達到300 × 300 mm。同時，量產設備(X-Sinter P201X)經過改進，以滿足散熱器壓力燒結應用的需求，最終推出了X-Sinter P201X HS型號。

圖7

　　這些改進的主要目的是優(yōu)化生產批處理過程，同時保持高生產率，VDI 3423標準超過99%。這些設備的設計旨在無縫集成到全自動工作流程中。在軟件方面，這些設備適應Industry 4.0網絡，可兼容SecsGem、OPCUA、OPCON或其他先進的MES平臺。

　　此外，通過集成預熱系統(tǒng)提高了工藝周期時間，確保在燒結后通過冷卻板保持散熱器的高溫。還提供了可選的全氮氣柜，以防止母線氧化。這一綜合方法突顯了AMX在符合行業(yè)需求方面推動技術能力提升的承諾。

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