功率半导体模块封装材料国产化及展望【亮说材料】

摘要：对功率半导体模块封装材料国产化及进行了展望，分享了部分对国产封装材料的研究情况，包括国产有机硅凝胶、环氧灌封胶以及一体化金属基板的简单封装测试，对功率半导体模块封装材料国产化进行了有益探索。

   有机硅凝胶是一种存在“液体”和“固体”两种相态的“固液共存”的特殊硅橡胶，其杨氏模量极小，具有高弹性和低应力特点，同时又由于分子结构中既含有“有机基团”，又含有“无机结构”，使其集有机物和无机物的功能特性于一体，具有较好的耐温性、耐候性和绝缘性，非常适合应用于功率半导体模块的封装。

   环氧树脂作为一种重要绝缘材料被应用于大功率IGBT模块封装中，对模块的绝缘性和可靠性具有重要影响。随着新一代半导体器件封装技术的发展，对封装材料的要求也越来来高，传统有机硅凝胶在大功率模块封装中的应用也受到了挑战，环氧树脂封装成为理想的封装方案，也给传统的环氧灌封带来了新的市场机遇。

    SLC封装技术（SoLid Cover）是集合了一体化绝缘金属基板（Insulated Metal Baseplate，IMB）和直接树脂灌封（Direct Potting Resin，DP Resin）的新型封装技术，该封装技术引入的IMB基板去掉了绝缘层与铜底板之间的焊接层，从而消除了由于温度波动导致的热疲劳点，同时引入的DP树脂可加固芯片上表面绑定线，极大提高了模块的热循环能力；此外还对模块内部各种材料的热膨胀系数（CTE）进行了优化调整，从而进一步提升了模块的热循环寿命。

    对功率半导体模块封装材料国产化及进行了展望，分享了部分对国产封装材料的研究情况。

    功率半导体模块封装材料主要国外供应商以美、德、日为主。

    功率模块封装材料在一定程度上决定了模块的可靠性，因此封装材料国产化势在必行。

    从材料的热应力方面考虑，有机硅凝胶的热应力极小，关注由于温度导致的热应力失效并无意义，因此重点应该关注的还是有机硅凝胶的耐高温性。

    抽取若干个有机硅凝胶样品耐高温测试；测试200℃下1000h高温老化后外观。

    有机硅凝胶样品高温渗油性评估。

    对有机硅凝胶样品高温老化前后阻尼性和粘附性评估。

    有机硅凝胶样品模块灌封：选择类似于EconoPACK封装形式；灌封尺寸约110*57.5*5mm；所有DBC采用SnAgCu焊料，DBC上铜层全部通过12mil粗铝线短接；评估在剧烈温度变化下有机硅凝胶与基板、侧框以及衬板的相互影响。

    SLC（SoLid Cover）封装技术：在模块封装中同时采用环氧树脂（Direct Potting resin，DP）和绝缘金属基板（Insulated Metal Baseplate，IMB）封装，极大提高模块热冲击和热循环能力；SLC模块采用IMB基板，无DBC，缩减了焊层，简化了模块封装工艺；IMB基板金属层可采用铜、铝等，基板尺寸更薄，能有效减轻模块整体重量，可实现模块的轻量化和高可靠性

    选取IMB铜基板和IMB铝基板分别进行封装。

    选取两种环氧树脂分别对模块进行灌封。

    对封装工艺、封装效果、模块基本电特性进行了测试；目前已经完成模块可靠性测试。

    检测SLC模块缺陷；检测封装后基板、芯片等情况

    测试环氧树脂与IMB基板匹配性；受材料CTE值匹配度影响：1#树脂与IMB铜基板匹配度较好；2#树脂与IMB铝基板匹配度较好。

    对未分层SLC模块进行静态电特性测试；IMB铜基板+1#环氧树脂模块静态测试正常；IMB铜基板+2#环氧树脂模块上桥IDSS偏大；后续将对所有模块进行温度冲击等测试再进行电特性测试。

    总结与展望，需要对国产封装材料进行材料研究、机理研究及应用研究，并进行材料验证、工艺验证和模块测试；但目前来看，国产封装材料测试平台、工艺验证平台和模块验证实验平台都是明显缺乏的，这需要国产封装材料开发人的信心、封装企业的信心和模块应用端企业的信心才能真正推动大功率半导体模块封装国产材料的全方位发展。

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