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          世菱推出全新一代GPP芯片整流產品

          時間:2018-11-15   點擊次數:7138

          • 整流產品廣泛應用于工業、4C(通信、計算機、消費電子、汽車電子)、航空航天、國防軍工等傳統產業領域以及軌道交通、新能源、智能電網、新能源汽車等戰略性新興產業領域,經過多年的發展,通過培育本土半導體企業和國外招商引進國際跨國公司,國內逐漸建成了覆蓋設計、制造、封測以及配套的設備和材料等各個環節的全產業鏈整流模塊生態。大陸涌現了一批優質的企業,包括捷微電、揚杰電子、黃山電器、浙江正等芯片制造公司,以常州宏微、揚杰電子、揚州四菱、常州瑞華、固馳電子等為代表的模塊封測企業。

            整流模塊是通過二極管的單向導通原理來完成工作的,通俗的來說二極管正向導通,反向截止,也就是說,二極管只允許電流從陽極流入,陰極流出。所以將其接入交流電路時它能使電路中的電流整流成直流。將數個(兩個或四個和六個)整流二極管封在一起組成的橋式整流器件被稱為整流橋,主要作用是把交流電轉換為直流電。整流模塊有三相橋,單相全橋和半橋之分。整流橋模塊有著體積小、重量輕、結構緊湊、外接線簡單、便于維護和安裝等優點。在家用電器和工業電子電路中應用非常廣泛。

            整流橋模塊的制造工藝主要由芯片技術和封裝技術構成。目前國內外主流廠家的整流橋芯片,主要有燒結圓片和GPP方片兩種,對應的封裝技術有壓接式和焊接兩種方式。

            一. 整流橋封裝工藝介紹

            1. 焊接式模塊

            常見的焊接式整流模塊封裝結構如下圖所示,主要包括母排電極、芯片、焊層、襯板和基板幾大部分,各個部分之間的連接技術則構成了整流模塊封裝的關鍵技術,可分為芯片焊接與固定以及各芯片電極互連與引出兩大方面。為了提高模塊的可靠性,要求各部分材料的熱膨脹系數(CTE)相匹配,散熱特性好及連接界面盡量少且連接牢固。

            對于芯片焊接與固定,主要涉及功率半導體芯片、焊層、襯板和基板。焊層普遍采用錫基焊料,分含鉛與無鉛兩大類,有焊膏和焊片兩種工藝,后者具有更好的焊層質量。襯板和基板要求其膨脹系數與芯片匹配并具有良好的熱導率,對硅材料芯片而言,AlN襯板及CuAlSiC基板是常見的選擇,為了獲得較小的熱阻,提高散熱性能,一般盡量減小襯板的厚度,并使基板具有一定的拱度,可以是單面拱或者雙面拱,單面拱基板有利于減小熱阻,且在焊接前后拱度的變化較均勻。為了進一步減小熱阻,可以省去襯板或基板,將芯片直接設置在引線框架(lead frame)上,或者將襯板直接設置在散熱基板上,基板多為Pin Fin結構,采用水冷散熱。

            焊接式模塊通常采用沾錫的圓芯片或者GPP方片加片的方式,目前國外主流廠商一般選用的是后者。SEMIKRON在新一代的整流產品中已經采用類似IGBT產品的鍵合工藝,并且國內外采用這一工藝的主流廠商呈上升趨勢。焊接式模塊具有結構簡單、重量輕、熱阻小等特點,適合應用于各類中小功率場合。

            2. 壓接式模塊

            整流模塊的另外一種封裝形式是壓接式封裝,如圖所示。壓接式具有無焊層、抗熱疲勞能力強,芯片熱容量大,浪涌能力高,容易做成2500V以上高電壓產品等特點,主要在更大電流應用,同時在應用環境苛刻和可靠性要求高的應用領域也有一定競爭優勢。

            二. 整流模塊芯片現狀

            1. 傳統圓形芯片

            芯片擴散用涂源或者紙源方法形成PN 結,然后將硅片陽極與片燒結,再在鉬片側沾錫,以便于封裝時的工藝焊接,通過臺面造型、酸洗,并涂覆硅橡膠等保護材料,形成具有片襯底的圓形芯片。

            由于芯片焊接有金屬片,多層結構導致芯片熱阻增大,不容易將芯片的熱散出去,功耗大。臺面保護材料采用硅橡膠保護,漏電較大,芯片參數一致性比GPP方片差。

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            2. 普通GPP芯片

            基本工藝過程為:硅片清洗, 磷預淀積,單面噴砂(減薄), 硼擴散及磷再分布, 雙面噴砂去氧化層,氮氣或氧氣退火(需要時),鉑擴散及擴散后的表面腐蝕處理和清洗(需要時), 臺面腐蝕, LPCVD淀積氮化硅膜或生長二氧化硅膜(鈍化保護), 玻璃鈍化,雙面鍍鎳(電極), 晶圓劃片,分片。

            與圓形芯片不同,GPP芯片沒有焊接片,而是直接在芯片兩面鍍鎳形成可焊接的電極,大大減小了芯片的熱阻。同時,GPP芯片的臺面保護采用氮化硅膜或生長二氧化硅膜以及玻璃鈍化保護,其密封保護和絕緣性能明顯優于硅橡膠材料,所以其漏電流較小。不足之處是,受工藝條件限制,GPP方形芯片難以做成2500V以上的高壓產品。

            結構示意圖

            掃描0014

            掃描0019

            3. GPP芯片

            在傳統普通GPP芯片的基礎上,世菱采用了新一代GPP芯片技術。其基本工藝特點為:

            1)用離子注入替代傳統的N+擴散,形成均勻一致的高濃度低應力淺結。

            2)通過P型緩變結擴散,芯片電壓>1800V,產品一致性增強,VF低、抗浪涌強。

            3)用控制精度+-1um的硅片減薄工藝替代噴砂減薄工藝,改善了后者造成的結構不均勻問題。

            4)SIPOS+GPP鈍化,鈍化保護層更加穩定,緩解了熱應力問題,可靠性增強。

            5)優化基區設計方案,優化了槽型結構,增加陰極區有效面積,過流能力強。

            6)正面AL,背面AL+TiNiAg金屬組合,減少歐姆接觸電阻。

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            三. 目前各廠家焊接式封裝工藝現狀

            1. 傳統圓片焊接: 揚州四菱和常州瑞華為代表的傳統整流產品封裝廠,圓片的封裝工藝為:芯片去氧化層--錫膏涂覆--電極芯片擺放---隧道燒結(更多的為電爐焊接)---清洗松香殘留---半成品測試---壓裝外殼---灌硅凝膠---灌環氧樹脂---終測----入庫。

            2. 普通GPP芯片焊接:以揚杰電子和常州宏微為代表的普通GPP芯片封裝工藝為: 結構件準備---固晶------真空共晶----空洞檢測---二次焊接(電極)---壓裝外殼---灌硅凝膠----終測----入庫(目前以日本和美國為代表的封裝廠普遍采用)

            3. 世菱電子焊接工藝:結構件準備----固晶---真空共晶---空洞全檢---鋁線鍵合---二次焊接(電極)---壓裝外殼---灌硅凝膠---終測----入庫(semikron新一代整流模塊、臺基半導體、IGBT模塊普遍采用)

            四. 幾種不同芯片和焊接工藝產品的綜合分析:

            1. 傳統圓片工藝模塊

            1) 結構封裝工藝簡單,批次離散性大,全手工操作增加品質不穩定因素,芯片、電極、陶瓷片、銅底板之間空洞大,導致過流與散熱降低,封裝熱阻大。封裝應力大。

            2) 在焊接后的清洗中造成芯片的二次污染,導致高溫漏電流增大。

            3) 芯片多層結構導致熱阻增大,不容易將芯片的熱散出去,熱穩定性不如GPP芯片,功耗大,反向電壓穩定性低,可靠性低。

            4) 芯片擴散采用涂源或者紙源方法形成PN 結,芯片先用片和硅片焊接,再進行臺面酸洗。臺面保護材料采用硅橡膠保護,漏電較大,特性不穩定。芯片一致性差,通常芯片放很大余量。

            2. 普通GPP芯片+片工藝模

            1)普通GPP芯片的鈍化保護膜,有電泳法和刀割法兩種方式,其特點如下:對于各種形狀的器件,例如平面型、臺面型、斜面型或其他不規則形狀的器件均可實現電泳涂復。電泳涂層的厚度可以控制,且均勻性好,精度高。采用絕緣掩膜可以實現有選擇性的電泳涂復。熱成型后膜質致密性好,可以實現無氣泡、無針孔的玻璃膜??梢灾迫‰s質離子沾污較少的優質玻璃膜。對Wafer無損傷、無污染。絕緣性能高、電特性穩定、反向漏電流低。

            2封裝工藝相對于圓片來說有大幅度提高,芯片、電極、陶瓷片、銅底板之間空洞率大幅度降低,但是還是無法消除芯片本身因表面高濃度和陰極焊接帶來的應力,故在陰極上加片以降低應力造成對芯片的損傷,但加了片后熱阻也相應增大,而且增大了空洞檢測的難度(或者非全檢)

            3. GPP工藝模塊

            1) 新一代GPP芯片技術,用離子注入替代傳統的N+擴散,形成均勻一致的高濃度低應力淺結。通過P型緩變結擴散,芯片電壓>1800V,產品一致性增強,VF低、抗浪涌能力強。用控制精度+-1um的硅片減薄工藝替代噴砂減薄工藝,改善了噴砂造成的結構不均勻問題。SIPOS+GPP鈍化,鈍化保護層更加穩定,緩解了熱應力問題,可靠性增強。優化基區設計方案,優化了槽型結構,增加陰極區有效面積,過流能力強。正面AL,背面AL+TiNiAg金屬組合,減少歐姆接觸電阻。具有壓降低、浪涌能力強、低應力、低漏電流,參數一致性好等特點。且芯片采用五寸晶圓產線生產,出片率提高,降低制造成本.

            2) 由于采用與IGBT相同的封裝工藝,芯片陰極采用超聲波鍵合的方式,降低芯片和封裝應力到最小,減少了鉬片降低了熱阻。同時焊接空洞全檢,降低模塊產品整體空洞率,提高過電流能力,有效降低熱阻??梢蕴岣吣K生產的自動化水平到80%---90%,有效降低制造成本和人工操作對產品可靠性的影響。

            綜上所述,隨著綠色環保的生產方式日益提高,整流晶圓的生產也逐步趨向于五寸以上產線,離子注入這一在高端半導體圓中應用廣泛的技術也逐步應用到普通整流產品中,使普通整流晶圓的品質有革命性的提升。鍵合式整流產品因其生產效率高、生產過程精準控制、高可靠性和高魯棒性日益受到國內外主流廠商的親睞。

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