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高温工作功率模块的环氧树脂封装技术

发布日期:2021-10-15 浏览次数:1609 来源:三菱电机半导体作者:网络
 摘要 
功率模块的封装具有保护半导体和布线材料免收热冲击、物理撞击和外部异物侵扰的作用,以确保绝缘。近来,由于对功率模块实现更高电流密度和更高工作温度的要求,因此封装材料和工艺也需要进行改善。本文报告了关于高温工作和高电流密度的封装技术的最新研发结果。

01

概述

功率模块包含连接材料、线材、绝缘基板、封装材料以及外壳等。由于诸如封装和外壳等有机材料会发生热降解,特别是直接覆盖在高温运行着的半导体上的封装材料。因此,封装技术的创新对于功率模块是至关重要的需求。为了能在高温下工作,功率模块的新结构被开发出来。在目前的功率模块中,铝线用于连接半导体和电路基板。现在,金属引脚键合取代了引线键合,这样可在更小的空间内承载更高的电流。使用金属引脚的新型结构占用更小的封装材料流动空间,但在无空洞地填充功率模块上还存在一些难点。

02

封装技术

2.1  封装材料
环氧树脂被普遍应用于功率模块的封装材料。易应用于常规结构模块的灌封环氧树脂,与固化剂如羧酸酐发生反应,其比酚固化或胺固化的环氧树脂更容易发生热降解和氧化降解。本文重点关注羧酸酐固化的环氧树脂。

在开发封装材料时,玻璃化转变温度(Tg)是一个关键的参数,它会极大地改变材料的物理特性。由于物理特性的差异,热膨胀系数(CTE)和弹性模量对于考虑作用于粘附面的应力也很重要。这些特性被用来计算功率模块里的应力并预测退化,但由于缺少另一个重要的特性——粘度,仿真结果与真实结果之间经常存在差异。树脂的粘度由环氧树脂、固化剂、填料和一些添加剂等成分的大小和组成比率所决定。如果环氧树脂的粘度较高,则在靠近导线的键合部位会出现没有填充树脂的微小空隙。因此,在应力计算中需要对材料之间的应力与粘合强度进行比较。这些小的空间会影响应力分布,导致产生诸如裂纹和分层等劣化现象。综上,消除未填充区域与开发具有更高粘合强度的树脂是一样重要的。

图1为不同粘度环氧树脂填充的引线键合点附近的扫描电子显微镜(SEM)图像。当环氧树脂粘度高时,键合点之下尚有未填充的空间。而当环氧树脂的粘度低时,即使很小的空间都可以被填充到。较高的工作温度需要环氧树脂具有较高的Tg,这导致环氧树脂的交联密度较高、分子量较大。另外,由于环氧树脂刚性大,因此添加橡胶材料以降低模量。几乎所有对高Tg的改进都使树脂具有更高的粘度。通过优化树脂中包含成分的组成比,新型树脂具有足够低的粘度以达到无空洞封装的目的。


图1 键合线下填充的环氧树脂的SEM图像

此外,新型树脂不仅具有低粘度而且还具有耐热性。图2显示了常规环氧树脂A、B和新型树脂C在200℃下储存时的重量损失。这些树脂的各项性能见表1。环氧树脂A、B和C在酸酐和添加剂A的规格上有所不同。添加剂A是低应力剂。

高温老化中的重量损失主要是由环氧树脂、酸酐和添加剂等有机材料的热氧化降解造成的。新型树脂C中的添加剂具有高耐热性,在225℃下1000小时的重量损失只有传统树脂B的1/10。

图3显示了新型树脂在225℃老化1000小时后的动态力学分析(DMA)表现。即使在高温下老化后,环氧树脂的Tg和外观仍保持不变。耐热性有助于保持功率模块的绝缘。在高温下,树脂表面发生热氧化降解,而树脂内部不易氧化。其结果是,树脂的表面和内部之间存在物理性质的差异,从而导致翘曲变形。当应力发生在绝缘基板上时,则降低绝缘寿命。

表1 环氧树脂成分和特性的比较



图2 环氧树脂在200℃存储的重量损失


图3 新型树脂在225℃、1000小时老化后的DMA表现

图4为功率模块基板在225℃高温老化试验中的翘曲变化情况。新型树脂C具有较少的重量损失并能抵抗高温老化下的物理性能转变。这种耐热性使得功率模块的翘曲变化很小。树脂C在225℃高温老化1000小时后的翘曲变化,降低至常规树脂B的70%。封装了新型树脂的功率模块在225℃热老化1000小时后保持了外观和电绝缘性不变。新型树脂具有低粘度和高耐热性的特点,更适应于在高温下工作。

图4 功率模块在225℃高温老化时的翘曲变形

2.2  封装工艺
封装工艺也是决定功率模块可靠性的重要因素。基板的翘曲受固化收缩和环氧树脂的 CTE影响。过去,基板的翘曲通过评估封装的功率模块来近似估计,但翘曲仅可以通过测量环氧树脂的膨胀和收缩行为来预测。


图5 固化环氧树脂的TMA行为

图5通过热机械分析(TMA)显示了环氧树脂的行为。在该分析中,温度分三步变化,(1) 从第一个固化点T1上升到第二个固化点T2,(2)保持在T2,(3)下降到室温以模拟环氧树脂的固化条件。在这些温度变化期间,环氧树脂的尺寸分三步变化,(i)在保持低Tg的情况下膨胀,(ii)在T2固化收缩,(iii)CTE收缩以响应温度下降。TMA分析对预测基板的翘曲非常有用。实用该方法无需多次实验即可优化环氧树脂的固化过程。

03

即将到来的结构

对于高温工作,导电电路需要承载大电流,因此提出了使用金属引脚的新电路结构,例如直接引脚键合(DLB)和功率直连板(PDB)。图6显示了一个使用PDB结构的例子。PDB正反两面的铜回路具有足够的电气容量足以流过较大的电流,因此其正反面均被设计为内部电路连接,这比DLB技术具有更紧凑的占位面积。此外,PDB结构有更低的封装杂散电感和鲁棒性,达到市场需求。然而,在这种结构下,PDB与绝缘金属基板之间存在300-500μm的间隙,使得环氧树脂难以充分填充。为了在狭窄的间隙中填充封装材料,应考虑材料和灌注工艺。在灌注工艺的改进过程中,进行了多次的产品评估;不过由于PDB结构的复杂性,很难找到空洞。为了找到无空洞填充此类空间的工艺,使用了先进的流动仿真来模拟。


图6 结构剖面(a)传统结构(b)PDB结构

图7显示了不同粘度的环氧树脂在PDB结构中的流动仿真结果。注入高粘度树脂时,产品边缘会出现未填充点。而在注入低粘度树脂时则没有空洞。环氧树脂的粘度也是小空间封装的关键特性。


图7 PDB结构中不同粘度的环氧树脂流动仿真的比较

图8显示了相同结构的环氧树脂在0.5至4g/sec不同注入速度下的流动仿真结果。虽然注入的节拍时间不同,但注入速度不影响树脂流动。


图8 PDB结构中不同注入速度的环氧树脂流动仿真的比较


通过注入评估确认了流动仿真的结果。将新型树脂C注入模拟结构,研磨固化物后计算空洞数。图9表示树脂温度与空洞数的相关性。树脂温度与树脂的粘度有关,其结果与解释粘度影响的流动仿真结果相符。流动仿真有助于缩短新结构封装工艺的开发进程。

图9 树脂温度和空洞个数的相关性

04

结论

我们发现封装材料的粘度会影响绑定线下小空间中树脂的填充,并开发了一种低粘度和高耐热性的新型环氧树脂。此树脂在高温储存后重量损失小,物理特性变化小。以此环氧树脂封装的功率模块在225℃老化1000小时后,外观和电绝缘特性均无变化。利用TMA分析来预测基板的翘曲。对于高温工作,提出了使用金属引脚如直接引脚键合(DLB)和功率直连板(PDB)的新电路结构。先进的流动仿真有助于缩短新结构封装工艺的开发。粘度对于PDB结构中的环氧树脂填充也很重要。
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