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碳化硅（SiC）功率器件作為未來的功率器件引起了極大的關(guān)注，它們非常有吸引力。因為它們具有高電壓、低導(dǎo)通電阻和短開關(guān)時間，SiC功率器件可以在高結(jié)溫下工作。如今正在開發(fā)一種高溫碳化硅陶瓷基板功率模塊，該模塊可以在高于200℃的結(jié)溫下運行，而硅器件由于SiC的高溫特征而無法在該溫度下運行，高溫功率模塊需要更小的散熱器。結(jié)果，可以使諸如逆變器之類的設(shè)備比傳統(tǒng)設(shè)備小得多。

功率模塊通常具有將功率半導(dǎo)體器件接合在金屬化陶瓷基板上的結(jié)構(gòu)，陶瓷基板的另一面通過導(dǎo)熱硅脂連接到散熱器上進行冷卻。最近，為了降低功率模塊的熱阻，已開發(fā)出一種將陶瓷基板直接粘合在散熱器上的結(jié)構(gòu)，而不是使用導(dǎo)熱硅脂。本文中主要提出的功率模塊還具有將陶瓷基板直接接合到散熱器以降低熱阻的結(jié)構(gòu)。

就電氣性能而言，SiC器件的開關(guān)時間非常短，這會產(chǎn)生很大的浪涌電壓。為了防止這種浪涌，選擇了將Sic金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）夾在兩個陶瓷基板之間的結(jié)構(gòu)。通過采用這種結(jié)構(gòu)，可以降低模塊的電感。

另一方面，為了在高溫下工作，使用Au-Ge共晶焊料。在所提出模塊的制造過程中，焊接溫度遠高于傳統(tǒng)功率模塊。這種高溫工藝可能會導(dǎo)致因模塊元件變形而導(dǎo)致的接合缺陷，這種變形是由模塊中使用的材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配引起的。此外，陶瓷基板和散熱器之間的CTE不匹配會導(dǎo)致模塊過度翹曲，特別是如果散熱器由AI或Cu制成，與陶瓷基板相比具有非常大的CTE。

電源模塊在高溫下工作也會導(dǎo)致模塊的翹曲位移過大，這可能會降低長期可靠性。為了確保模塊的長期可靠性，該模塊設(shè)計為在200℃以上運行，需要從-40℃到250℃的熱循環(huán)。此外，了解翹曲在熱循環(huán)期間的表現(xiàn)非常重要。

一、結(jié)構(gòu)和制造工藝

1、模塊結(jié)構(gòu)

圖1中顯示了所提出模塊的結(jié)構(gòu)，該模塊包括了兩個臂電路，對應(yīng)于逆變器的一個支路。為了降低模塊的電感，選擇了將碳化硅MOSFET夾在兩個金屬化陶瓷基板之間的結(jié)構(gòu)，而不是傳統(tǒng)的鋁線鍵合。SiC器件的漏極焊盤焊接到陶瓷基板，陶瓷基板的另一側(cè)直接焊接到散熱器。然而，為簡單起見圖1中所示的模塊具有基板而不是散熱器。

以下部分討論的模塊也有一個底板，源極和柵極焊盤通過AI凸塊連接到陶瓷基板進行電氣連接。在陶瓷基板的另一面，可以安裝無源元件。例如，可以安裝電容器和電阻器以構(gòu)成緩沖電路。金屬塊用于電連接兩個基板，模塊中使用的所有焊料都是Au-Ge共晶焊料，其熔化溫度為356℃?？紤]到與SiC器件和AI凸塊在垂直方向上的CTE失配，金屬塊由Cu-W制成。陶瓷基板具有將上下Cu布線圖案電連接的通孔，為了形成通孔等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，陶瓷基板使用氧化鋁。另一面，氮化硅（Si3N4）用于陶瓷基板是因為它比氧化鋁具有更大的韌性和更高的熱導(dǎo)率。

模塊中使用的SiC器件是 CPMF-1200-S080B（CREE）圖2顯示了所提出模塊的示例。

2、制造過程

圖3顯示了三步模塊制造過程，在第一步，SiC器件在室溫下通過構(gòu)建在SiC器件上的AI凸塊倒裝芯片鍵合到陶瓷襯底。第二步中，金屬塊在真空室中用熔化溫度為356℃的Au-Ge共晶焊料焊接。真空室的溫度設(shè)置為450℃，以確保焊料潤濕良好。此外，在樣品上設(shè)置20克重物以幫助焊料潤濕。最后，將構(gòu)成緩沖電路的陶瓷基板和無源元件在真空室中一次性焊料。通過由碳制成的定位工具將緩沖電路放置在所需位置。該工藝中使用的焊料也是Au-Ge共晶焊料。

二、評價方法

1、陶瓷基板翹曲

如前所述，所提出的功率模塊是在450℃下制造的，與使用硅器件的傳統(tǒng)功率模塊相比，這是一個極高的溫度。由于高溫制造工藝，熱膨脹差異顯著增加；這會導(dǎo)致陶瓷基板翹曲，這可能會導(dǎo)致接合缺陷。典型的功率模塊中使用的陶瓷基板在一側(cè)具有銅布線圖案，半導(dǎo)體器件與其接合。在陶瓷基板的另一側(cè)，形成Cu實心圖案。如果將具有實心圖案的陶瓷基板用于所提出的模塊中的陶瓷基板，則布線圖案側(cè)和實心圖案側(cè)之間的CTE不平衡將使陶瓷基板翹曲。圖4所示出制造過程中發(fā)生的翹曲。

在此，陶瓷基板由氮化硅構(gòu)成，厚度為320μm。Cu布線圖案和實心圖案的厚度分別為150μm。另一方面，陶瓷基板由氧化鋁構(gòu)成，厚度為1000μm。在每一側(cè)形成100-μm厚的布線圖案，由于陶瓷層厚而Cu布線圖案薄，陶瓷基板的翹曲可以忽略不計。

在本文中，通過對稱設(shè)計碳化硅陶瓷基板兩側(cè)的Cu布線圖案以平衡應(yīng)力，應(yīng)用了減少陶瓷基板翹曲的對策。為了確認對策的效果，在50℃和250℃下測定陶瓷基板的翹曲，求出從50℃到250℃的位移。數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）方法用于測量陶瓷基板的翹曲。如圖5所示，將陶瓷基板樣品放置在內(nèi)部帶有熱板的腔室中。將樣品加熱至250℃，50℃和250℃之間的翹曲變化由立體CCD相機觀察確定。

2、模塊在室溫下的翹曲

在制造過程中的冷卻過程中，模塊會發(fā)生如圖6所示的翹曲。這種翹曲是由陶瓷基板和基板之間哦CTE不匹配引起的，可以通過使用具有與陶瓷基板相似的CTE的基板材料來減少它。

使用有限元法(FEM)進行模擬以估計模塊的近似翹曲。ANSYS Mechanical用作仿真工具。在模擬中，將356°C定義為無應(yīng)力溫度，將室溫定義為22°C。模擬中使用的部件的材料特性和尺寸如表一所示。為了確認結(jié)果，還模擬了其他基板材料。模擬了另一種典型的基板材料Al；它的CTE比Cu大。還模擬了復(fù)合材料Cu-W和復(fù)合材料1和2。這些復(fù)合材料的CTE 可以在一定程度上進行控制，以匹配陶瓷基板的CTE。

使用具有不同CTE的不同基板材料評估翹曲。用于評估翹曲的模塊的結(jié)構(gòu)如下。使用厚度為3 mm的底板。省略了SiC器件，因為它們通過可以吸收應(yīng)力的Al凸塊連接到陶瓷基板2，因此對翹曲的影響可以忽略不計。陶瓷基板1的材質(zhì)為Si3N4, 陶瓷基板2的材料是氧化鋁。陶瓷基板1和陶瓷基板2的表觀CTE計算為大約6 ppm/°C。對于底板，使用Cu (17 ppm/°C)或SUS410 (10 ppm/°C)。Cu一般用作基板材料，SUS410的CTE比Cu的CTE更接近陶瓷基板。使用激光顯微鏡測量樣品的翹曲。結(jié)果將在“結(jié)果”部分討論。

3、50℃至250℃的翹曲位移

要在225℃下運行模塊，需要從-40℃到250℃的熱循環(huán)以確保長期可靠性。因此，了解翹曲在這個寬溫度范圍內(nèi)的表現(xiàn)對于長期可靠性非常重要。因此，評估了50℃和250℃之間的翹曲位移。圖7所示地說明了50℃和250℃下的翹曲行為。通過從50℃時的翹曲減去250℃的翹曲來估算翹曲位移。DIC方法用于測量翹曲。

還進行了基于FEM的模擬，以估計從50℃到250℃的近似翹曲位移。通過將室溫定義為平坦（無應(yīng)力）、將溫度增加到250℃并獲得兩個溫度之間的位移來簡化模擬。

4、雙脈沖測試

為了確認所提出的夾層結(jié)構(gòu)SiC功率模塊可以在高于硅器件極限的溫度下運行，在加熱到225℃的熱板上進行了雙脈沖測試。圖8所示了測試中使用的電源模塊，該模塊用硅膠封裝并儲存在樹脂盒中。為了將其電氣連接到電源和柵極驅(qū)動器，Cu端子與Au-Ge共晶焊料結(jié)合。

三、結(jié)果

1、陶瓷基板的翹曲評估

陶瓷基板在50℃和250℃之間的翹曲位移實測如圖9所示，圖9也顯示了50℃和250℃時的翹曲。使用DIC測量焊接SiC器件的表面。具有實心Cu圖案的陶瓷基板的測量結(jié)果示于圖1和圖2中。圖 9a-c所示，陶瓷基板的兩側(cè)對稱布線圖案如圖9d-f 所示。具有實心圖案的基板在50℃時呈現(xiàn)向上翹曲（圖 9a）。

當基板加熱到250℃時會發(fā)生向下翹曲（圖 9b））由于基板每一側(cè)的Cu體積不平衡。在50℃和250℃之間具有實心圖案的基板的位移約為90μm（圖9c）。另一方面，兩側(cè)具有對稱布線圖案的基板在50℃和250℃均未顯示翹曲，并且位移小于10μm（圖9d-f）。通過在陶瓷基板的兩側(cè)采用對稱布線圖案，從50℃到250℃的翹曲位移減少到在一側(cè)具有實心圖案的陶瓷基板的九分之一或更小。在制造過程中，陶瓷基板的焊接溫度為356℃，遠高于250℃。沒有對策的陶瓷基板在356℃時的翹曲時間估計為140μm。

2、模塊在室溫下的翹曲評估

圖10顯示了使用激光顯微鏡在室溫下測量的具有Cu和SUS410基板的模塊的翹曲。測量可以安裝無源元件的陶瓷基板的表面以評估模塊的翹曲時間。由于Cu布線圖案厚度的偏差大，結(jié)果難以理解，因此Cu布線圖案被遮蓋，呈現(xiàn)白色。對陶瓷基板的陶瓷部分進行了評價。使用銅基板的模塊顯示出大約140 μm的向上凸起翹曲（圖10a）。

這是由于制造過程中冷卻過程中陶瓷基板和基板之間的CTE差異造成的。Cu具有比陶瓷基板更大的CTE，因此比陶瓷基板收縮得更多。因此，發(fā)生了向上凸出的翹曲。另一方面，使用 SUS410基板的模塊也表現(xiàn)出向上凸起的翹曲，但測得的翹曲僅為約40 μm（圖10b）。通過采用SUS410作為底板，翹曲減少到使用Cu底板的模塊的三分之一以下。

圖11顯示了以下條件下的模擬結(jié)果。初始條件為356°C無應(yīng)力，這是Au-Ge共晶焊料的熔化溫度。通過冷卻至室溫來模擬翹曲。通過測定陶瓷基板2的上表面的位移來評價翹曲。圖11a和11b分別顯示了使用Cu和SUS410基板的模塊的模擬結(jié)果。確認模擬結(jié)果顯示出與測量結(jié)果相同的趨勢。

圖12所示比較模擬和測量結(jié)果。橫軸是底板的CTE，縱軸是模塊的翹曲度。此外，還模擬了使用 Al、Cu-W 和復(fù)合材料基板（如表 I所示）的模塊。仿真結(jié)果與測量結(jié)果吻合良好。因此，可以預(yù)測具有不同基板材料的模塊中發(fā)生的翹曲。使用CTE為6–7 ppm/°C的基板（例如Cu-W和復(fù)合材料）的模塊的翹曲預(yù)計最小。這與陶瓷基板1和2的表觀 CTE非常吻合。另一方面，由于其較大的 CTE，預(yù)計鋁基板在這些材料中具有最大的翹曲。

3、從50℃到250℃的翹曲位移評估

從50°C到250°C的位移是使用DIC通過參考50°C時的翹曲來測量的。結(jié)果如圖13所示，該圖還顯示了50°C和250°C時的翹曲。50°C和250°C之間的位移是通過從50°C 時的翹曲減去250°C的翹曲獲得的。

使用Cu基板的模塊在50℃時的翹曲（圖13a）主要反映了陶瓷基板2的Cu布線圖案，模塊呈現(xiàn)向上翹曲，這與室溫下的激光顯微鏡測量結(jié)果一致。使用SUS410基板的模塊在50°C 時的翹曲（圖13d）也與激光顯微鏡測量結(jié)果一致。將溫度提高到250°C顯著減輕了使用銅基板的模塊的翹曲（圖13b）。

根據(jù)這些結(jié)果，使用銅基板的模塊在50°C和250°C之間的位移為80 μm（圖13c）。另一方面，使用SUS410基板的模塊在250°C時的翹曲（圖13e) 與50°C時的差異很?。▓D13d）。結(jié)果，該模塊在50°C和250°C 之間獲得了35 μm 的位移。這證實了該趨勢與通過在室溫下測量翹曲獲得的趨勢相同。

模擬的翹曲位移如圖14所示。初始條件在室溫下是無應(yīng)力的。通過將溫度升高到 250°C 來模擬翹曲。如上所述，這些條件用于獲得兩個溫度之間的位移，但不能用于獲得絕對翹曲。評價了陶瓷基板的上表面的翹曲。

圖14a和14b分別顯示了使用 Cu和SUS410基板的模塊的模擬結(jié)果。確認模擬結(jié)果顯示出與測量結(jié)果相同的趨勢。此外，基板的CTE與50°C至250°C的翹曲位移之間的關(guān)系如圖15所示。其中包括使用Al、Cu-W 和復(fù)合材料1和2的模塊的結(jié)果，如表I所示。使用具有相對較大CTE的基板（如 Cu和Al）的模塊表現(xiàn)出過度翹曲，并且可以預(yù)測在長期可靠性方面存在一些問題。但是，如果基板具有與碳化硅陶瓷基板相似的CTE，則可以預(yù)期長期可靠性會提高。為了證實這一點，將在未來的工作中進行熱循環(huán)。此外，必須考慮電源循環(huán)期間的翹曲。

4、雙脈沖測試結(jié)果

使用應(yīng)用了對策的功率模塊進行了雙脈沖測試（圖8 ）。測試在加熱到225°C的熱板上進行。模塊的等效電路如圖16所示。

設(shè)定為600 V，雙脈沖測試的波形如圖17所示。第一個脈沖寬度為30 μs，第二個脈沖寬度為8 μs。電流設(shè)置為25 A。觀察到20 ns 的電流下降時間和50 V 浪涌電壓。通過擬合結(jié)果，模塊的雜散電感估計為5 nH。該測試結(jié)果證實該模塊可以在225°C下運行，高于硅器件的極限。