全铜烧结型Cu-CLIP架构大功率SiC模块封装集成方法

课题简介

随着SiC MOSFET的通流密度（>500 A/cm²）和热流密度（硅基器件的3倍以上）显著超越硅基IGBT并持续提升，传统键合线互连在载流能力和散热性能上的局限性日益凸显，已成为制约大功率SiC模块性能与可靠性的关键瓶颈。为突破这一限制，本课题提出了一种全铜烧结型Cu-Clip集成封装方法，旨在从根本上提升大功率SiC模块的电气互连载流能力、热管理效率与长期运行可靠性。

技术成果与创新亮点

本课题首次提出了基于全铜烧结Cu-Clip互连架构的大功率SiC模块封装集成方法，核心创新与工艺实现如下：（1）采用系统级-芯片级全低温铜烧结互连。该方法在系统层面实现散热器与基板、芯片层面实现基板与芯片、芯片与Cu-Clip的低温铜烧结，构建全铜垂直互连结构，显著提升模块的热传导与载流能力；（2）优化低温烧结工艺降低关键界面风险。通过将烧结温度控制在200℃，烧结压力降低至5MPa，有效缓解了大面积AMB基板（约40×50mm²）在高压烧结中易导致的陶瓷层断裂风险，同时避免了传统250℃烧结工艺中散热器因热失配引起的严重翘曲问题，实现了基板与散热器之间低热阻、高可靠的互连；（3）创新芯片正面低电迁移烧结铜互连工艺。在芯片正面采用低电迁移特性的烧结铜工艺，实现与高通流Cu-Clip的电气互连，进一步提升模块的载流密度与长期可靠性。

图 1全铜烧结垂直互连结构示意图

本研究系统对比了几种典型商用烧结银材料在标准工艺下的烧结行为与力学性能：（1）在250℃、15MPa、5min的烧结条件下，微-纳混合型浆料的烧结压力为90~110 MPa，纳米型浆料为80~90 MPa，微米型浆料为70~80 MPa。结果表明，在同等烧结参数下，烧结铜的剪切强度可达135 MPa，显著高于商用烧结银。进一步研究发现，烧结铜在200℃低温和5MPa低辅助压力条件下，仍可实现与商用微米烧结银在250℃-15MPa高温高辅助压力条件下相当的力学性能。上述低温银、铜烧结材料的烧结行为与力学性能对比如图2、3所示。