車規(guī)模塊系列（五）：DBB/銅綁定技術(shù)

銅綁定，一種芯片互連技術(shù)

上篇我們聊了聊關(guān)于Cu-Clip技術(shù)，今天我們回到綁定線，聊一聊之前我們DCM1000系列談及的銅綁定技術(shù)。

寫在開頭

我們可以看到，在早些年，功率模塊的發(fā)展主要以芯片的發(fā)展為主，例如從IGBT3到IGBT7，至少在IGBT4之前我們沒有看到市面上出現(xiàn)太多的封裝技術(shù)的重大革新，主要還是由于它們能夠滿足當(dāng)時(shí)的市場需求。當(dāng)第三代半導(dǎo)體（其實(shí)早就開始研究了）以及新能源汽車等新興電力電子領(lǐng)域的出現(xiàn)和發(fā)展，對于功率模塊的發(fā)展不僅僅停留在芯片技術(shù)的迭代，同時(shí)為了滿足更高的需求。性能取決于封裝技術(shù)的高占比率，汽車行業(yè)對于成本效率、可靠性和緊湊性有著很高的要求，新的封裝技術(shù)和工藝日益浮出水面，可能它們早就在“水底”孕育了很久。

相比于之前的標(biāo)準(zhǔn)化模塊封裝，近年來各具特色的模塊封裝類型都慢慢映入眼簾，就好比之前我們聊到的DCM、HPD和TPAK等等。并且其中細(xì)節(jié)部分也有著不一樣的改進(jìn)，如DBB技術(shù)、Cu-Clip技術(shù)、激光焊接、SKiN、單/雙面水冷、銀燒結(jié)、銅燒結(jié)等等，無疑給模塊封裝技術(shù)增添了更多組合的可能，以應(yīng)對不同的性價(jià)比和應(yīng)用。

今天我們就來聊聊銅綁定，以一篇丹佛斯硅動(dòng)力的一篇論文來看看這個(gè)工藝的特點(diǎn)。

DBB技術(shù)

相對于傳統(tǒng)的鋁綁定線工藝，銅綁定線需要對芯片表面進(jìn)行要求更高的金屬化，而丹佛斯鍵合緩沖Danfoss Bond Buffer (DBB)技術(shù)就是為了銅綁定線進(jìn)行的表面處理。

在模塊生產(chǎn)制造過程中，在芯片頂部額外地?zé)Y(jié)一層銅層，防止芯片在超聲波焊接過程中開裂，提供了所需的機(jī)械粘接緩沖作用。芯片的頂部的銅層適合鍵合直徑可達(dá)500um的銅線，同時(shí)，芯片的底部被燒結(jié)到DBC上，銅綁定和燒結(jié)技術(shù)的結(jié)合顯著地提高可靠性以及功率密度。

DBB技術(shù)是為了減少CTE不匹配帶來的熱機(jī)械應(yīng)力，除了在鍵合過程中吸收能量以及保護(hù)芯片，其還具有一定的熱學(xué)優(yōu)勢。

DBB的主要工藝步驟如下，

芯片燒結(jié)到DBC和芯片表面的DBB可以使用同一臺燒結(jié)設(shè)備和工藝。下面是一個(gè)DBB技術(shù)模塊的局部示意圖，

上圖中，DBC襯底和DBB銅層都有一層NiAu表面，以達(dá)到更好的延展性。

DBB中的銅層形成了一個(gè)熱容量，對于模塊的Zth有著一定的影響，但不會(huì)增加其熱阻Rth。其大面積的銅層，以及銅層的厚度比普通的Al頂層要厚得多，導(dǎo)致了更好的電流擴(kuò)散，提供了更為均勻的電流密度分布。

熱特性

利用有限元仿真工具，在相同條件下對比了三種情況下的熱參數(shù)，

緩沖層（70um）+銅綁定線（300um）

緩沖層（70um）+鋁綁定線（300um）

無緩沖層+鋁綁定線（300um）

熱阻抗曲線如下，

PaneA中，在1ms處單純Al線和緩沖層加Cu線熱阻抗相差0.01K/W主要是由于銅線具有較高的熱導(dǎo)率；PaneB中，純Al線和緩沖層加Al線熱阻差了約0.003K/W是由于緩沖層厚度較高引起的。

熱機(jī)械應(yīng)力

為了評估Si芯片和DBB銅層之間的銀燒結(jié)層內(nèi)的應(yīng)力，采Suhir的軸對稱模型，計(jì)算出了層狀材料（頂層和底層）的彈性彎曲應(yīng)力分布和連接層中的應(yīng)力，即剪切應(yīng)力。軸向?qū)ΨQ近似矩形，其半徑由邊長的一半或者對角線來定義，或者通過使用等面積的方法。Suhir表明，大面積的剪切應(yīng)力只存在于一定的外圍區(qū)域，如下圖中的曲線“剪切DBB/Chip”所示，在一定橫向尺寸內(nèi)保持不變。

同時(shí)也給出了一些相關(guān)參數(shù)對剪切力的關(guān)系。

不同DBB厚度下，DBB燒結(jié)層的剪切應(yīng)力與厚度成正相關(guān)性。

不同芯片厚度下，DBB燒結(jié)層的剪切應(yīng)力與厚度成正相關(guān)，相同面積下，SiC大于Si。

不同芯片厚度下，芯片到DBC的燒結(jié)層剪切應(yīng)力?？梢钥闯鲂酒奖。瑹Y(jié)層中的應(yīng)力越低。

不同DBB銅層厚度下，芯片到DBC的燒結(jié)層的剪切應(yīng)力?？梢钥闯?，DBB越厚，芯片到DBC的燒結(jié)層剪切應(yīng)力越小，但需要結(jié)合第一個(gè)柱狀圖，DBB越厚，DBB燒結(jié)層的剪切應(yīng)力越大。這兩種需要進(jìn)行相應(yīng)的權(quán)衡。

TC和PC循環(huán)

TC測試在-40/+150℃，15/15min下進(jìn)行，給到了開始前和750次循環(huán)后的SAM圖像，

可以看出，燒結(jié)層都沒有變化跡象，而DBC的銅層明顯有損傷，此時(shí)DBC的可靠性成了木桶效應(yīng)的短板。

PC測試基于100A/1700V的IGBT進(jìn)行，分別有DBB技術(shù)和傳統(tǒng)的鋁綁定線加焊接(ST)的樣品，測試條件如下，

可見采用DBB技術(shù)的功率循環(huán)能力得到了飛躍的提升。

參考文獻(xiàn)，

Jacek Rudzki, Danfoss Silicon Power GmbH, Flensburg, Germany, "Power Modules with Increased Power Density and Reliability Using? Cu Wire Bonds on Sintered Metal Buffer Layers"

小結(jié)

今天以DBB技術(shù)為基礎(chǔ)，大致聊了一下銅綁定線帶來的一些優(yōu)勢，當(dāng)然歸根結(jié)底還是為了更高的功率密度和可靠性。但功率半導(dǎo)體沒有一個(gè)過程是固定不變的，都是在反反復(fù)復(fù)的折中過程中尋找著屬于自己的最優(yōu)解，DBB技術(shù)是一種，那相信其他家的銅綁定或者Cu-Clip都有屬于自己模塊的最優(yōu)解。

這不正是我們學(xué)無止境的原因所在嗎？也許下篇我們可以再聊一下另一種芯片互連技術(shù)（SKiN技術(shù)）。

今天的內(nèi)容希望你們能夠喜歡！