车规模块系列(四):Cu-Clip互连技术

发布时间:2023-10-09  

Cu-Clip,一种有趣芯片互连技术


事物发展最有趣就是不断地给我们带来很多新的东西!


前段时间我们介绍了几款目前市面上比较常见的汽车模块,相比于工业,它们展示出了更多的有趣的技术,其中之一便是我们聊到的Cu-Clip技术,模块设计中芯片互连的一种工艺。今天我们就来聊聊关于它的一些事儿!


想必大家刚刚踏上回家的路程,每次返程的艰辛都会成为大家讨论最多的事情,但无论再怎么难,依旧无法阻挡我们对家和家人的向往,所以我们义无反顾!


正如我们所处的行业,国产化的进程需要我们不畏艰辛地去奋斗,有向外来先进技术地学习,又自我独到的技术完善,只要能够为半导体行业的应用有用,那就足够了。我们只是其中的“一粒沙土”,但不妨碍我们奔向无垠的沙漠,就好比硅的出处,它就是一粒沙土,但却引领了半导体的一个时代。


Cu-Clip技术


在上篇讨论TPAK封装时,我们聊到了Cu-Clip技术,当然它可以应用在很多模块封装形式当中。当时,我们简单地说了一些它的特点,降低寄生电感和电阻,增加载流能力,相应地提高可靠性,以及其灵活的形状设计。在芯片面积越来越小(比如IGBT 7 和SiC),这限制了常规绑定线的数量,但Cu-Clip技术相应地缓解了这方面的问题。

上面是绑定线和Cu-Clip的简单示意图。


功率半导体器件结构可以分为好多层,其中影响长期可靠性的因素是CTE(热膨胀系数)的匹配,CTE失配而引起的应力对可靠性产生很大的影响,例如铝绑定线脱落就是其中较为典型的例子。这是由于铝绑定线和半导体材料之间CTE(铝:23ppm/K,Si:3ppm/K)差异较大导致的。而铜的CTE约为16.5ppm/K,相应地可以减轻CTE失配带来的热机械应力问题,同样又可以降低回路电感和电阻。


Cu clip粘接到其他表面的方式也有很多种,包括传统的焊接,银烧结以及铜烧结技术。当然这其中又牵扯到焊料,烧结工艺等,这些又都是复杂且不断发展的领域,所以任何事物都有着值得不断发展和迭代的过程,只是在一定的阶段,它受到市场需求,成本,技术等等因素的权衡。


就像绑定线有着材料、长度、直径、弯曲度等等因素的考量,Cu Clip也相应的会有厚度,材料,形状等等考量。今天我们就借着一篇论文来学习一下几个因素的影响趋势,其采用有限元仿真的方法来比较几个因素的影响,并且提出了新的Clip材料CMC(铜-钼-铜)。


Clip的厚度


采用AlN基板,三芯片(IGBT和FRD)并联,焊料采用SnAgCu,来比较Clip厚度0.5mm和1.5mm在一定温度差下的热机械应力,检测位置为Clip和芯片之间的焊接层,以及芯片表面。


材料CTE的参数,


进行了归一化处理,我们可以看到,使用较薄的Clip,连接的位置应力会更小,但满足必要的载流能力的同时,尽量使用较薄的Clip。


应力缓解


上面的模块图片中,我们可以看到Clip上有开孔,主要便是为了缓解应力,而相比于不开孔,应力具体会怎么样呢?从下面的仿真结果我们可以看到。


结果显然,可以通过开孔来缓解应力,但孔的形状大小和位置又有所考究,这需要我们结合实际来具体设计完善的。


Clip材料


这里,作者提出了两种材料,一个上面说到的CMC,一个是CIC,Invar是一种镍铁合金,以低CTE而闻名,下面是它们的相关参数,

但是由于CIC的导电率较低,虽然CTE和Si更为接近,但是温升却很高,并不是一个理想的Clip材料,所以这里作者只比较了纯铜和CMC。

从相同芯片表面的应力和应变曲线来看,CMC由于和Si较小的CTE差异而产生更小的应力。同时我们可以看到最大的应力和应变出现在芯片边缘位置,所以又回到上一个问题,缓解应力的开孔放在和芯片接触的边缘位置会更好一些。


小结


今天我们又重新了解了关于Cu-Clip的一些细节,当然这也是我学习的一个过程,跟大家一起分享下。其实现实中并没能够接触到这块,希望以后会有机会见识和进行更深的了解,同样,也希望大家能够从中收获一些。


今天的内容希望你们能够喜欢!也希望你们能够有个欢乐愉悦的小长假!


参考文献:


Matthew Packwood, “A Simulation-Based Design Approach for Optimized Performance of Cu-Mo-Cu Clips in High-Power Semiconductor Modules”


文章来源于:电子工程世界    原文链接
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