新一代功率芯片耐高温封装连接国内外发展评述

新一代半导体高温功率芯片可在500℃左右甚至更高的温度下服役,耐高温封装已成为其高温应用的主要障碍.针对当前高温功率芯片耐高温封装连接问题,从芯片耐高温封装连接的结构及要求、芯片的耐高温封装连接方法(包括高温无铅钎料封装连接、银低温烧结连接、固液互扩散连接和瞬时液相烧结连接)及存在的问题等方面对国内外研究现状、动态进行了分析和评述,并提出了今后高温功率芯片耐高温封装连接的研究重点和发展方向.

高温封装实现光纤光栅的长期稳定

介绍了利用负温度系数材料并在高温环境下(70℃左右)封装光栅的方法,对封装后的光栅作了温度性能和长期稳定性测试。这种封装不仅结构简单小巧,而且对光栅的特性无影响,同时其温度系数降低到0.5 pm/℃。更重要的是,该封装的长期稳定性较好,封装1年后反射波长基本不变,并且其温度系数仍保持在0.5 pm/℃左右。

通用型耐高温微型压力传感器封装工艺研究

针对通用型高温微型压力传感器的测量要求,采用SIMOX(separationbyimplantedoxygen)技术SOI(silicononinsulator)晶片4层结构Pt5Si2-Ti-Pt-Au合金化引线系统,解决了高温压力传感器引线的难点。制作了静电键合实验装置,完成了硅/玻璃环静电键合,制作了压焊工作台,选用退火后的金丝,金金连接完成内引线键合。自制了耐高温覆铜传引板,定制了含Ag的高温焊锡丝,选用了耐高温导线作为外导线,完成了耐高温封装的关键部分。研制了高精度、稳定性的压阻式压力传感器。

基于再生光纤光栅的高温传感器工程化封装技术

针对再生光纤光栅在高温场中机械强度降低,不耐烧蚀等实际问题,开展了再生光纤光栅(RFBG)高温传感器的工程化封装技术研究,提出了一种应用刚玉管的双层管式无应力耐高温工程化封装结构,该结构可通过调整固定法兰机械尺寸实现对高温热电偶传感器的兼容替换。通过850℃高温退火得到了再生光纤光栅高温传感器,并对其进行标定。结果表明:使用该结构封装的光纤光栅,经高温退火后,光纤光栅保护良好,产生再生现象,得到的再生光纤光栅高温传感器升温过程的灵敏度为0.0150 nm·℃^(-1),降温过程的灵敏度为0.0148 nm·℃^(-1)。

通用型高温压阻式压力传感器研究

针对石油化工等领域高温下压力测量的要求,设计了压阻式压力传感器硅芯片,采用SIMOX技术SOI晶片,在微加工平台上制作了硅芯片。对不同的用户工况设计了装配结构,采用耐高温封装工艺,研究了耐高温微型压力传感器封装材料匹配与热应力消除技术,解决了内外引线的技术难点。从低成本、易操作性出发,设计了温度系数补偿电路,研制了精度高、稳定性佳的耐高温通用压力传感器。

应用于功率芯片封装的瞬态液相扩散连接材料与接头可靠性研究进展

功率半导体由于其工作电压高、电流大、放热量大等特点,已逐渐向小型化、高致密化发展。新一代宽禁带半导体器件因其优异的性能可以提高工作温度和功率密度,展现出较好的应用前景,这对与之匹配的电力封装材料提出了更高的要求。随着工作温度的不断升高,高温环境下失稳和运行环境不稳定等安全问题亟需解决,对功率半导体芯片封装接头的高温可靠性提出了更高的要求。且由于污染严重的高铅焊料不满足环保要求,高温无铅焊料的研制与对相应连接技术的研究成为当前的研究重点。瞬态液相扩散连接(Transient liquid phase bonding,TLP bonding)技术通过在低温下焊接形成耐高温金属间化合物接头,以满足“低温连接,高温服役”的要求,在新一代功率半导体的耐高温封装方面有良好的应用前景。针对TLP技术的耐高温封装材料有Sn基、In基和Bi基等。目前TLP连接材料主要有片层状、焊膏与焊片三种形态。其中片层状TLP焊料应用最早,且国内外对于其连接机理、接头性能和可靠性已有较为成熟的研究。近些年开发的基于复合粉末的焊膏与焊片形态TLP焊料具有相对较高的反应效率,但仍需大量理论与实验研究来验证其工业应用前景。本文综述了TLP连接用Sn基与In基焊料的特点,重点阐述了不同形态焊料在TLP连接机理、接头微观组织、力学性能与结构可靠性等方面的国内外研究现状及进展,并且认为接头中缺陷问题的研究以及不同服役条件下物相转化机制和接头失效机理的研究对高可靠性接头的制备具有重要意义。

碳化硅器件封装进展综述及展望

碳化硅(SiC)具有禁带宽、临界击穿场强大、热导率高、高压、高温、高频等优点。应用于硅基器件的传统封装方式寄生电感参数较大,难以匹配SiC器件的快速开关特性,同时在高温工况下封装可靠性大幅降低,为充分发挥SiC器件的优势需要改进现有的封装技术。针对上述挑战,对国内外现有的低寄生电感封装方式进行了总结。分析了现有的高温封装技术,结合新能源电力系统的发展趋势,对SiC器件封装技术进行归纳和展望。

耐高温微系统气密封装技术及高温可靠性研究

针对武器装备、航空航天等领域高温封装需求,提出一种耐高温微系统气密封装技术.选用氮化铝直接电镀陶瓷基板(direct plated ceramic substrate, DPC)作为封装散热基板,可伐(Kovar)合金作为封装盖板,金锡合金(Au80Sn20)作为焊接材料实现气密封装,并通过有限元模拟优化了最小焊接应力下的焊环厚度.根据设计方案制备了集成热敏电阻和微型加速度计的微系统器件.测试结果表明,微系统封装样品焊接质量良好,界面无孔隙和裂纹.将封装后的微系统在200℃下老化1000 h,测试其老化前后的气密性和芯片电性能.结果表明,老化后微系统仍具有较高气密性,封装漏率达到10-9Pa·m3/s量级,热敏电阻及微型加速度计电信号正常.实验证明该耐高温微系统气密封装技术可满足高温应用可靠性需求,有望应用于航空航天及军工领域.

碳化硅功率模块焊接工艺研究进展

碳化硅(SiC)模块的封装技术是目前电力电子行业关注的热点,焊接材料和工艺是影响模块可靠性的关键环节。详细分析了当前国内外业界已使用或正在研究的焊接材料和工艺,包括应用于传统硅(Si)功率模块和SiC功率模块的常规无铅钎料、低温纳米银烧结、固液互扩散连接和纳米铜焊膏等。分析了各种工艺的焊接过程、焊层性能及存在的问题,明确了今后SiC功率模块高温封装焊接技术的发展方向,即低温纳米银烧结技术和固液互扩散技术将会是SiC功率模块焊接工艺的优选。