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車(chē)用SiC碳化硅的五大難點(diǎn)和應對方案
近年來(lái),包括SiC在內的第三代半導體器件在汽車(chē)上的應用比例與日俱增。但在專(zhuān)業(yè)人士看來(lái),這并不會(huì )是一個(gè)簡(jiǎn)單的事情。
一 以車(chē)用引線(xiàn)框架來(lái)看,盡管Si、碳化硅/氮化鎵引線(xiàn)框架都是用銅材,制程相同,也要制作模具,但傳統TO247封裝方式芯片跟引線(xiàn)框架之間會(huì )有錫膏貼合,這樣的封裝方式會(huì )有VOID問(wèn)題,會(huì )產(chǎn)生空洞問(wèn)題,如果用在大電流大電壓就不穩定可靠了,成為SiC芯片采用TO247封裝方式的困難點(diǎn),隨著(zhù)新應用及新能源的開(kāi)發(fā),半導體零組件需有耐高電壓及高電流之特性,為了避免VOID問(wèn)題,必須要用無(wú)壓燒結銀AS9330連接,引線(xiàn)框架也必須鍍銀,而連結時(shí)工差只有20um,精密度要求很高,連帶技術(shù)門(mén)檻很高。
二 新型SiC芯片可用IPM、TPAK方式封裝,以應用于電動(dòng)車(chē)逆變器SiC框架技術(shù)為例,框架Copper Clip和SiC芯片連接采用半燒結銀AS9330連接技術(shù),可實(shí)現高可靠、高導電的連接的需求,很多Tier1的控制器公司和Tier 2功率模組制造商,在汽車(chē)模組中均或多或少的采用該燒結銀技術(shù),目前燒結銀技術(shù)主要用于對可靠性和散熱高要求的市場(chǎng),在引線(xiàn)框架制作上除了要提供高可靠度的鍍銀品質(zhì)以符合燒結銀的搭接技術(shù)以外,由于燒結銀的膜厚為50um-100um,可以調整補正搭接面共平面度不佳造成的搭接問(wèn)題,燒結銀的搭接技術(shù)對于搭加處的共平面度要求公差也可以達到50UM左右。引線(xiàn)框架必須鍍銀是局部鍍銀,相較于全鍍,部分鍍銀技術(shù)很難,必須做模具,且放置芯片處用局部鍍銀,一個(gè)引線(xiàn)框架搭兩個(gè)芯片,芯片必須采取局部鍍銀,其他引線(xiàn)框架必須用鎳鈀金,材料差異對引線(xiàn)框架制作是很大的技術(shù)挑戰。
三 由于SiC晶圓長(cháng)晶速度很慢、缺陷率高,晶圓無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)需求,取得SiC晶圓是現在進(jìn)入汽車(chē)功率元件市場(chǎng)的入門(mén)票,目前SiC的長(cháng)晶多采用物理氣相法(PVT),速度慢而且良率低,主要原因是SiC存在200多種晶體結構類(lèi)型,其中六方型結構的4H型(4H-SiC)等少數幾種晶體結構的單晶型SiC才是所需的半導體材料,需要精確控制硅碳比、生長(cháng)溫度梯度、晶體生長(cháng)速率,以及氣流氣壓等參數,否則易產(chǎn)生多晶型夾雜,導致產(chǎn)出晶體不合格。
四 Full SiC Module目前應用于部份高端車(chē)型,其余電動(dòng)車(chē)大多數采取混合型SiC模組,常見(jiàn)的就是以SiC二極管搭配IGBT,且碳化硅功率模組大多以SiC SBD/MOSFET搭配Si IGBT/FRD/Diode進(jìn)行組合。
SiC的SBD封裝與傳統SiC大不同:由于SiC wafer硬度很強,伴隨而來(lái)的就是脆,來(lái)料Wafer要進(jìn)行Chip切割時(shí),需要之切割設備與工具就與一般之Si材料不同,大多采用激光切割機;且一般高電壓/高電流大多采用陶瓷基板,但因SiC屬硬脆材料,在封裝過(guò)程中較容易因應力產(chǎn)生翹曲,有些銅基板或陶瓷基板,甚至必需先進(jìn)行彎曲作業(yè)、以達到密合的效果;引線(xiàn)框架在銅的純度上跟面積,也要隨著(zhù)電壓/電流進(jìn)行改變,同時(shí)得選擇高溫封裝材料的低電感等材料。
五 由于SiC本身耐高溫,因此適合在高電壓產(chǎn)生高溫下使用,但也因為SiC產(chǎn)生高溫,所以在散熱基板上的選擇也會(huì )相對要求較高,推薦選用價(jià)格較高的AMB基板。
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