IGBT功率模組之接合材料發展趨勢

 

刊登日期:2020/12/5
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游勝閔、莊凱翔/工研院材化所;賴一凡、彭治偉/致嘉科技股份有限公司
 
IGBT功率元件的市場需求持續成長,並且伴隨寬能矽半導體材料(如碳化矽)的逐漸導入,目前燒結銀幾乎成為晶片接合的唯一解決方案。燒結銀材料近年來使用了複合尺寸之銀粉體以提升本質堆積密度,因此能達到降低燒結溫度與增強剪切強度的效果,且其無壓力燒結特性也因此提升,使得燒結銀材料的使用面更為廣泛同時降低成本。未來接合材料開發趨勢之一是無壓力燒結特性之提升,另外一方面,奈米銅與多粒徑之複合型銅材料,在未來也很有機會取代燒結銀材料。本篇文章聚焦討論燒結銀材料的關鍵突破技術與專利,同時彙整銀取代材料的開發進展。
 
【內文精選】
前 言
目前電動車已成為汽車產業未來的主要成長動能,估計2021年全球銷售量將突破800萬輛。電動車除了電池與發動機外,關鍵零組件以IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)功率元件最為重要,每一台車之IGBT使用量為傳統汽車的5~10倍之多,因此帶動IGBT市場總值持續成長,預估2021年IGBT的市場總值將突破52億美元。IGBT模組如圖一。
 
圖一、IGBT模組外觀與截面示意圖
圖一、IGBT模組外觀與截面示意圖
 
國際上IGBT元件的主要IDM (Integrated Device Manufacturer)廠包括:Infineon、ON Semiconductor、Fuji Electric、STMicroelectronics、DENSO、BYD等,其中Infineon在整體IGBT市場市占率達3成,居於首位,提供IGBT元件與IGBT模組;由IDM廠委外代工IGBT元件供應鏈則包含晶圓代工廠世界先進、茂矽等台系廠商,目前由於新冠肺炎疫情所影響的國際代工產業板塊移動,IGBT模組代工量在台灣預期將大幅成長。
 
低溫燒結銀材料技術
燒結銀(Sintering Silver)的技術相當普遍,包括在太陽能電池中也廣泛使用。然而使用在晶片黏合上燒結銀的溫度要求要更低,燒結銀的製程工藝主要由溫度、壓力、時間進行控制,當降低一個參數則必須增加另外兩個參數,因此若要降低燒結溫度則必須加大壓力與延長時間,如此對於生產效率與可靠度是不利的,尤其是過大的壓力會造成晶片損壞。
 
目前燒結銀產品,若是無壓燒結型(Pressureless Sintering)則是以奈米銀為主體之材料,而加壓燒結(Pressure Sintering)產品則以次微米級(Sub-micron)銀粉體為主體,其材料成本得以降低。結合奈米銀與次微米銀粉的複合設計可以很有效地降低燒結溫度,除了使得材料成本具有優勢外,燒結後剪切強度(Shear Strength)也同步提升。如圖三所示,比較了單一銀粒徑(Mono)、雙粒徑(Bimodal)、三粒徑(Trimodal)在無壓燒結與加壓燒結的剪切強度差異,三粒徑配比能讓剪切強度由5 MPa增加到接近15 MPa,而在3,000nm微米銀與30nm奈米銀搭配的雙粒徑配比,在加壓燒結後,其剪切強度能大幅提升到25 MPa。此研究也可以看到無壓燒結銀的剪切強度目前仍低於加壓燒結銀,因此加壓燒結設備也成為一關鍵技術。
 
圖三、銀粒徑尺寸搭配與燒結後接合剪力關係圖
圖三、銀粒徑尺寸搭配與燒結後接合剪力關係圖
 
銀取代之材料技術
銀材料雖然有高熱傳導係數、高導電率與較佳的抗氧化性,然而其成本過高,因此仍有許多團隊致力於開發銀取代材料。Kuan Yew Cheong的團隊提出封裝模組損壞主要是因為熱膨脹係數(CTE)差異造成的應力,最終使得晶片與DBC板之間的焊接材料破裂,根據該團隊整理的資訊(圖九)可以看到,Ag-Al材料CTE僅為銀材料之50%…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》408期,更多資料請見下方附檔。

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