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高结温下键合材料在系统中的寿命需要被重视

高结温下键合材料在系统中的寿命需要被重视

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行业动态
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发布时间:
2020/05/22 09:21
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【摘要】:

随着功率模块芯片尺寸越来越小,功率密度不断增加,工作温度跳跃式上升已是必然趋势,是时候开始考虑模块中最不受重视的键合材料的使用寿命了!

 

图片来源:网络分享

 

声楔焊是一种干净、低温且有效率的互连方式,功率器件中多见使用键合铝丝,除了机器有点贵之外,其他完美(说到这里Bonding设备商别打我)......
顺便在这里祝国产设备雄起!

 

第三代半导体器件工作温度将会上升,预测Tjmax将会突破200℃,而且其以较小的芯片尺寸便可实现比硅更高的效率。当芯片材料升级的同时外部尺寸在减小,现有互连材料在新一代半导体材料高速发展下是否可以继续发挥其潜在优势......

 

新年伊始百家争鸣百花齐放的时代已经开启......

 

 

01

常见硅器件工作温度

 

Si材料芯片常见单管封装如TO系列Tjmax从125℃到175℃不等,大多数Mosfet标定Tjmax为150℃,而且现在有很多SiC材料芯片以TO为封装形式的单管Tjmax标定在175℃,只有部分厂家的SiC单管Tjmax标定在200℃。

 

Si材料芯片的IGBT或者Mosfet模块的Tjmax基本标定在150℃,只有一些车规级别的模块Timax是在175℃,即使是SiC模块目前更多的是标定在175℃,部分是在200℃。

 

 

实际应用中,功率模块的温会受到外部环境的变化而变化,如气候,运行条件,散热方式等。如Tjmax标定在125℃的基本会控制在80-90℃及以下,Tjmax标定在150℃基本会控制在90-100℃及以下,Tjmax标定在175℃基本会控制在125℃以内,Tjmax标定在200℃的基本控制在低于150℃。

 

所以可以通过增强模块外部散热的方法来降低芯片和封装材料的老化速度,但是即便是增强了外部散热能力,键合丝失效依然在功率器件失效模式中占有的最大的比例。

 

 

02

不同种类键合丝建议使用温度

 

建议!不是绝对,不喜勿喷,可以讨论,望尊重科学认清事实

 

 

图片来源:多年经验总结

 

各材料具体如何使用还望和供应商确认后慎重选择。

 

铝丝基本可以满足目前大多数器件的封装应用,当然也并不是说铝丝在高温环境下不可以使用,只是如果在更严苛的环境下使用将会缩短其寿命或者增大失效几率而已。

 

 

03

优化材料系统

 

单独的去研究键合丝材料的可靠性,可以从材料的BL,EL,加速老化试验,震动测试,电流熔断测试等方面去做对比。其实同种材料的性能差异性并不大,通过掺杂特殊微量元素确实可以提高铝线的功率循环寿命,但是其作业工艺窗口却变得更窄,所以不管最终使用哪种原材料,作为功率模块三大关键性封装材料的键合丝还是应该在实际应用中发现问题。

之前写过一篇文章就是关于使用铝丝、铜铝覆合丝、SnAg合金和烧结银材料进行不同组合搭配后,再通过功率循环测试得出有规律的结果,其目的就是为了说明材料的可靠性是可以叠加的。


单一的升级互连材料或者焊接材料是可以提高可靠性及模块寿命的,所以可以试着通过升级焊接材料或者使用热阻更小的金属陶瓷基板来提升键合材料在现有封装形式下的寿命,但是对于高可靠功率模块大钱都花掉了真的还在乎这点小钱吗......

 

图片来源:Jerry__Ren 贺利氏电子材料在新能源汽车中的应用

 

 

04

可靠性测试

 

键合是个一门古老的技术,所以键合丝的应用也是很广泛的,个人认为在新产品开发阶段,特别是面对未来更高的结温环境下,通过功率循环等可靠性测试去进一步发现并找到键合丝在各种终端应用中的失效模式及寿命终点是非常必要的。

通过功率循环测试不仅可以验证各封装材料之间的匹配程度,其实更多的是考验并持续优化自身绑定工艺的能力。


有关功率循环测试键合丝可靠性的问题还是交给可靠性专家来进行深入讲解,专业的人做专业的事,我的专业就是让可靠性专家测了我的方案后对我五体投地......

 

 

我的友情赞助小伙伴焊接专家,提供多种方案可优化功率模块焊接工艺

图灵电子......

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