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1、略谈压接式电力半导体模块的结构和工艺陈其宾摘要:本文介绍了压接式电力模块的发展由来。根据压接式模块内部 结构的特点，讨论起工艺特点。本文提出了压接式内部结构设计是一 种机械结构以及最主要的工艺特点是进行控制电压的观点。进而从力 学角度对内部结构的压力的产生、压力的传递、压力的吸收三个方面 讨论了工艺控制。一、概述 国外一些学者曾经预言：封装新的材料，改善开关特性的器件 和新的应用是将来电力电子的推动力量。在半导体器件领域里，最有 意义的是寻找新的封装技术。事实上，近十年来，由于电力半导体(POWER MODULE)模块化封装技术的出现使电力半导体模块商品以 每年16%以上的速度递增。根据199
2、0年有关统计资料表明：在160A 以下的各类整流管(DIODE)晶闸管(THYRISTOR)的应用领域中，模 块化商品的普及率在欧美各国已高达75%以上。正如美国 A.P.COMMOLY 教授所说的那样：“今天，要离开模块封装的功率半导体来想象电力 电子式困难的。”就国内而言，电力半导体模块化技术的研制和开发，大约比国 外延迟十年左右时间。直到1989 年行业的专业杂志才发表了第一篇 功率模块的介绍文章。电力半导体模块化技术应用于工业生产的，可划分为三种： 即焊接式技术、压接式技术以及铜铝工晶键合DBC技术(DIRECTED BOND COPPER)。本文讨论压接式技术。二、压接式技术发展的由
3、来及其结构七十年代，最初的模块是在传统的分立器件制造技术基础上而 发展起来的，其内部零件时采用酸性焊接在热板上，虽然清洗工艺去 除了一些剩余的焊料，但是往往不能够完全彻底。这些残留在密封外 壳中的物质，使芯片的电性能变坏，进而产生现场失效。不久之后， 这一方法得到了改进，许多制造商采用了先进的由8 个温区组成的， 并有自动温度和控制的传送带式隧道炉，整个焊接过程在高纯惰性气 体保护下进行，而不再使用酸性焊料，这就是目前广泛采用的焊接式 技术(或称普通焊接式技术)。但是这一结构仍然存在着严重的问题，由于焊料会产生热疲劳 重复功率循环，或高低温循环，会造成现场失效，例如FC-5无刷电 机，装配时曾
4、采用焊接时模块，在进行浸渍绝缘漆以后的长时间高温 烘焙工序时，发生过大批量早期失效，这些失效的原因是由于内部零 件同焊料之间的热膨胀系数不匹配造成的。图一是SCR模块这一结构的示意图7/AZ图一右边所示，是由45%加热至所标明的温度以后焊料层的位移情况。普通焊接式模块在厚的铜底板上联结了一个或多个绝缘陶瓷片和硅芯片。硅芯片通常位于两钼片之间，图中硅片直径光5mm，假设该 结构由于功率损耗从硅芯结温45 度上升到 125 度，铜基板温度为85度。可以看出，在铜导线与钼片之间，三氧化二铝陶瓷与铜底板之间， 这两处是热膨胀系数差异的最大处。必然导致这儿的焊料承受很大的 应力。为了解决普通焊接式模块的
5、热疲劳，发展产生了压接式模块技 术，在大容量（例如250A电流以上）功率半导体中，尤其如此，在 压接式结构中，电和热的连接时通过在芯片上施加很大的压力来完成 的，所有不同材料的零件之间避免了焊接，在机械压力的作用下，各 层之间紧密而可靠的接触实现电热的传递。10813-接控制极引线十14212976 4 5”3图（二）压接式内部结构图10-弹簧片11-垫片14-紧固螺钉2-芯片4, 5, 6-引线7-底板8-压块9-铝垫片图二示出了一种压接式模块内部结构图，可以看出这种结构的各个零 件层之间是没有焊料的干性接触，在温度循环和功率循环中，允许不 同层之间彼此有一些滑动，被称之为非疲劳结构。三、压
6、接式模块技术的工艺特点 首先应该看到，技术的工艺特点是由其内部结构设计 特点所决 定的。某种意义上说，其内部结构设计是一种机械结构，最主要的工艺特点是对压力的工艺控制，在这里不妨从力学角度加以讨论。图三是受力的示图。从图中可以看出由硅芯片组成的各个零件受到了两个力的作用，一个是弹簧片向下的压力F,另一个是金属底 板向上的托力 F=F +F 且 F=F 。为分析起见，下面从三个方面加以12讨论，一是压力的产生，即F、F 、F 其次是压力的传递，第三12是压力的吸收，即 F 、 F 、 F 。12图（三）受力示意图F1 4 F k F21 机械压力的产生从图三中可以看出，压力的产生是依靠坚固螺钉和
7、弹簧片来实 现的，因此和之有关工艺参数有以下几个方面：A 压力量的确定应当指出，不同功率容量的模块和不同内部结构的产品，所选 用的压力量是不相同的。压力过大，可能会失去该结构的弹性优势， 或者使该结构处于临界的应力状态，压力过小，会导致各零件之间不 能处于有效的紧密接触状态，造成功率损耗过大，或热阻过大。最佳 的工艺选择要通过一系列的工艺试验来确定的。B 弹簧片是压力的关键零件，它不仅使该结构产生压力，而 且决定该结构是否具有弹性特点，可见对弹簧片几何形状、材质以及 热处理的工艺是重要的。C 紧固螺钉是压力的主要零件，其强度和硬度是考虑的主要 参数，一般情况不能采用市售的通用件，而必须是经过特
8、殊加工和专 门定制的。D 金属底板厚度的设计应该能安全承受在设计压力范围内的 平整，不致变形。2 压力的传递从图二可以看出，压接模块内部结构由以下几个零件组成：硅芯片铜片铜连接片陶瓷绝缘层铝垫片金属底板在一定的机械压力情况下，有效的进行各层之间压力的传递，是 关系到能否实现有效的电热传递，这取决于各层零件是否存在良好的 面接触。显而易见，从工艺控制角度来说，各个零件的平行度以及表 面质量显然是主要的工艺参数。值得庆幸的是，这些项目的检查和制 作并不复杂。只是应注意的是硅芯片的制作。因为，为了增加硅芯片的厚度和强度。通常是将薄的硅片焊接到金属电极上的，这样制作的芯片实际上是金属-硅-金属结构。这
9、一结构是会产生形变的，一般地说形成凸球面状，中心凸起位移用下式来表示：刃怯&心丁* P 1 tsiA a = a M- a S iAT:焊料固化温度与常汲之產S；中心凸肚位移菱P：凸肚曲年半裡：屈片半屋E:弾性模螢a :泊松氐 M:金属Si:硅式牡F=（什呦滋+（/% 料）EM 丄8斤！-如 ESI可以看出，管芯越大，则变形越严重，管芯越厚，则变形越小，若Aa -0则硅片几乎不可能不发生形变，图四比较了有关材料的膨 胀系数，为了降低焊接压力，应尽量选用膨胀系数与硅接近的金属衬 底材料，即尽可能地减小形变。3 压力的吸收一般地说，压接式模块内部结构的机械压力都是通过金属底板 来吸收的（本文暂作这
10、样定义）。金属底板除了支撑、固定整个模块 之外，还承担功率传递重要功能。在应用中，发生在内部结构的所有 功率损耗，全部转化为热能。然后通过金属底板传递散发出去，金属 底板与散热器之间也应该有紧密良好的面接触。因此在内部结构设计 时应充分考虑到这些，压力的吸收可划分为两种方式，一种是利用单 只紧固螺钉的单路吸收方式。另一种是采用二个以上紧固螺钉的多路 吸收方式（图二所示的是一种多路方式）。单路吸收方式，其结构简 单，但受力集中。多路吸收可使底板受力均匀分散，但结构较为复杂。 一般情况而言，三个芯片以上模块或电流容量较大的产品，宜采用多 路吸收方式。在采用单路吸收的结构中，为了克服受力集中而产生的
11、 形变，国外有的制造厂商对金属底板事先进行预处理。即在装配之前 验定底板一个预先确定的弯曲度，在装配时，依靠紧固螺钉的拉力， 恰好修好到符合设计要求的平整度。通常而言，玻璃钝化的芯片是不适宜用于压接式装配的。因 为 104A 厚度以上的二氧化硅层，其机械性能是相当脆弱的。采用有 机材料进行芯片的表面钝化，已经有了相当成熟的工艺。近年来，许 多高质量的新材料相继研究出来，并逐步的被生产所采用。尽管这也 是压接式模块的工艺特点之一，但是在此不作讨论了。值得一提的是，工业化的工艺技术的控制，大量使用的是管理 手段，而不一定是十分高深的技术问题。一个成功的工程技术人员， 应该懂管理、会管理。在半导体这个特殊的行业中，由于工艺流程长， 操作精细。加上我们自动化程度不高，尤其显得重要。四 结束语本文从压接式模块技术的发展由来，介绍了其内部结构及其特点。根据内部结构的特点指出：压接式模块内部结构是一种机械结构，最 主要的工艺特点是进行压力的控制。本文从力学角度对内部结构压力 的产生、压力的传递、压力的吸收三个方面讨论了压接式模块技术有 关的工艺控制。同时作者认为：工业化的工艺技术控制，大量使用的 是管理手段。
