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电动汽车SiC加速普及,银烧结工艺功不可没

发布日期:2024-05-29 14:16浏览次数:279

 
新能源汽车发展过程中,可以看到电机功率越来越大、续航里程越来越长,而对于控制电机的功率模块来说,则需要不断提高功率密度,同时提高转换效率,以达到节能的效果。但随着功率模块的功率密度越来越高,对模块封装互连可靠性、散热性能等要求也提出了新的要求。因此,在汽车功率模块当中,除了功率器件从硅基IGBT等转向第三代半导体的SiC MOSFET之外,在模块封装互连上还需要进一步的技术升级。

功率模块银烧结工艺

在功率模块中,无论是IGBT还是SiC MOSFET的功率芯片,都需要与DBC(Direct Bond Copper)基板、AMB(Active Metal Brazing)基板或其他散热组件进行连接,以满足功率芯片的电流传输的同时,将功率芯片产生的热量带出。DBC是一种陶瓷表面金属化技术,因为需要具备良好的绝缘能力和导热能力,还需要具备一定电流传输能力,所以这种技术是在陶瓷绝缘层的上下两面通过高温烧结铜金属,使铜金属与陶瓷之间形成坚固的化学键和微小的金属陶瓷互连,不需要传统的粘合剂或焊接材料,稳定性和热循环性能较高。

AMB通常由陶瓷材料(如氧化铝或氮化铝)和覆盖在其两面的铜层组成,这些铜层通过活性金属钎料与陶瓷紧密连接在一起。而功率芯片与基板的连接,在新能源汽车等大功率应用领域要面临更加严峻的考验,功率密度、工作温度都大幅提高,对互连的可靠性要求也更高。传统的芯片互连工艺是焊料焊接,比如SnAgCu 系和 SnSb 系等焊料无法在高温工作环境下保证可靠性。因此需要一种可靠性更高的工艺来将功率芯片和基板进行连接,而银烧结工艺正是解决了一系列的问题。

首先银是热导率仅次于铜的金属,同时相比于铜来说银相对不容易氧化;其次是具备更高的粘结强度和高稳定性,可以长期工作在200℃以上的环境;且纳米银的烧结体导电性更强,电阻率低,能够降低损耗。具体来说,烧结工艺实际上就是一种将粉末加热至熔化状态并在其他材料表面形成粘结层,在粉末被加热的过程中,粉末颗粒之间会发生粘结,形成具备一定强度和密度的多孔结构或致密体。而银烧结一般是采用微米级以下尺寸的银颗粒,混合有机粘合剂形成银浆,增加流动性。将银浆印刷到芯片底部,然后将芯片放置在基板上,在高温和真空的环境下加热,使银浆中的有机粘合剂挥发,银颗粒熔化并烧结,形成坚固的金属键合。完成后功率芯片就可以与基板紧密连接,同时满足电流传输和散热的需求。

银烧结工艺不仅提高了功率模块的可靠性和稳定性,还降低了系统的热阻,提高了功率密度,从而提升了整个系统的效率和性能。此外,银烧结工艺还可以减少系统的体积和重量,有利于新能源汽车等领域的轻量化设计。在实际应用中,为了进一步提高烧结连接的质量和性能,还需要通过优化烧结工艺参数、改进银浆配方和烧结设备等方式来实现。同时,为了保证烧结连接的长期可靠性,还需要对烧结后的连接进行严格的质量检测和评估。

SiC加速普及,银烧结工艺更为重要

最早在2006年,英飞凌就推出了采用单面银烧结技术和双面银烧结技术的Easypack1封装功率模块。2007年,赛米推出的功率模块技术SKiNTER也使用了银烧结技术。但作为一种用更高成本换取功率模块更长使用寿命,以及更高可靠性的技术,银烧结技术在电动汽车功率模块上尤为重要。目前电动汽车的平台电压正在从400V往800V以上发展,而在这个过程中,SiC功率模块也变得越来越普及。麦肯锡预测,到2030年,纯电动汽车(BEV)预计会占新能源汽车产量的75%,而混合动力(HEV)和插电混动(PHEV)汽车将占其余的25%。

另外,到2030年,800V平台的渗透率将超过50%。在高压应用中,对器件可靠性提出了更高等级的要求。因此我们在近年来无论是车企还是供应链推出的车用功率模块中,都能看到银烧结技术的应用。

比如比亚迪在其e3.0平台上的电控单元中,采用了新一代SiC功率模块,并使用了纳米银烧结工艺代替传统软钎焊料焊接工艺,相比传统的功率模块,寿命能够提升5倍以上,连接层热阻也能降低95%。芯聚能第二代SiC模块也将采用银烧结工艺,在芯片和芯片数量没有变化的情况下,相比第一代的电流提升15%到20%。去年在智新半导体产线下线的东风汽车自主SiC功率模块上,也采用了纳米银烧结工艺,同时包括铜键合技术、高性能氮化硅陶瓷衬板和定制化pin-fin散热铜基板,热阻较传统工艺改善10%以上,工作温度可达175℃,损耗相比IGBT模块大幅降低40%以上,整车续航里程提升5%-8%。

SiC功率模块在电动汽车上加速普及的脚步,从过去30万以上的车型,开始下沉到15万左右的车型中,这也将进一步推动银烧结在功率模块上的应用。