李明翰、林志浩、陳凱琪 / 工研院材化所
隨著功率元件模組廣泛應用於各種電子產業,從小型電子設備到電動汽車和可再生能源系統,功率半導體逐漸由矽半導體朝向化合物半導體發展,以提升電力轉換效率。因此,對於模組中封裝材料的特性需求也更為嚴苛,除了提供元件或模組足夠的支持和保護外,更需同時具備高可靠性的封裝材料整體解決方案,才能使模組維持最佳的效能。本文將針對功率模組構裝元件所需的封裝材料技術,包含封裝材料製備、模組充填及模組可靠度測試進行探討,以幫助我國在功率元件/模組封裝領域之應用發展,並提升產業在國際市場之競爭力。
【內文精選】
前 言
過去業界在半導體發展上多以矽(Si)為大宗,主要是因為矽為地球上含量最多的元素之一,且成本低廉易取得;隨著電動車產業發展帶出應用需求,化合物半導體(Compound Semiconductor)在功率半導體發展更顯重要。為了要能在相當短的時間內滿足行車充電的需求,須借助具備寬能隙、高電子遷移率、高熱導率及更好轉換效率等特性的化合物半導體,而目前市場主流的化合物半導體包括碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)等。根據Yole研究報告指出,在功率半導體領域中,以矽、碳化矽和氮化鎵等材料為主,其中矽材料在2023年到2027年的功率電子產值預估將由208億美元提升至245億美元,而碳化矽材料2023年到2027年的產值成長預估將由18.9億美元提升至51.4億美元。雖然功率電子材料中還是以矽材料產值為最高,但寬能隙的半導體材料如碳化矽、氮化鎵的產值逐年成長。
功率模組用液態封裝材料技術
電動車應用的功率模組基本構裝結構如圖四所示,其耐電壓規格由原先的600 V提升至1,200 V以上,甚至到達1,700 V,且接面溫度(Junction Temperature; Tj)也將從150˚C上升至200˚C以上。面對操作電壓及接面溫度的大幅提升,為了維持功率模組的效能,其應用的封裝材料技術須具備高耐熱、高導熱及高絕緣的特性。在眾多的封裝材料系統中,矽膠系統適用於接面溫度為150˚C的功率模組封裝,若需應用在更高接面溫度如200˚C以上的功率模組時,則需使用高耐熱性的環氧樹脂系統。
圖四、SiC功率模組與封裝示意圖
目前工研院材化所開發的功率模組用液態封裝材料技術,依照材料特性的需求評估三種不同無機充填粉體應用於液態封裝材料,包含二氧化矽(SiO2)及具導熱特性的氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)。
在樹脂配方組成設計方面,為符合高功率模組高耐熱的需求,選擇具備多官能基環氧樹脂搭配酸酐硬化劑的系統,藉由環氧樹脂多官能基的結構,可以增加配方固化後的交聯密度,使其玻璃轉化溫度達到180˚C以上,進而提升其耐熱性。另外,樹脂配方中亦添加反應促進劑加速硬化反應,並添加環氧基矽烷改質劑,增加環氧樹脂與粉體的相容性。
功率模組充填技術
為進一步驗證液態封裝材料在功率模組中的特性,須將液態封裝材料以灌注方式填充至功率模組中。以上述含SiO2無機填充料的配方1為例,由於配方1為兩液型分為A、B兩劑,充填前須將A劑與B劑經由機械攪拌機均勻分散混合,膠材混合後在真空及加熱條件下進行脫泡,透過脫泡程序避免膠材中多餘氣泡影響封裝品質。
功率模組封裝品質及可靠度測試
封裝後模組會針對其封裝品質及可靠度進行評估,封裝品質測試包括模組硬化後平面差(Warpage)檢測分析,以及透過超音波顯微鏡(SAT)掃描模組以觀察填充膠材中有無氣泡及氣泡殘留程度。
超音波顯微鏡掃描是以超音波於不同材料反射速率及回傳能量的差異特性來進行分析。當超音波遇到不同材料的接合界面時,訊號會部分反射及部分穿透,若遇到空氣(空隙)界面時,訊號則會100%反射。機台藉由接收這些訊號組成影像,透過此方式可以檢驗封裝模組中是否含有氣泡並進一步分析氣泡殘留程度,若封裝材料內有大量殘留氣泡代表封裝材料加工性不佳,則可能導致模組可靠性測試失效。圖九為封裝模組進行超音波顯微鏡掃描測試的影像,由底部(Backside)掃描結果中並未觀察到明顯氣泡殘留;而從頂部(Top)觀察到線路附近有少許紅點標示測試異常的區域,推測為固晶打線的線路高低差所造成的誤判,並非是真正的氣泡殘留。利用分析軟體將兩個模組紅點可能異常的區域與封裝體積進行量化計算,其量化異常區域程度僅1.1%,顯示具備良好的封裝品質---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
圖九、功率封裝模組超音波顯微鏡(SAT)掃描結果
★本文節錄自《工業材料雜誌》454期,更多資料請見下方附檔。