吳昇財、邱柏凱、李泰廣、鄭瑜樺、林欣翰、余泰君、吳翰林、范素玉／工研院電光所
化合物半導體元件具有耐高溫、耐高電壓與高頻操作等特性，為未來5G通訊、綠能與電動車市場主流技術。為了提升工業伺服電機的驅動功率、降低模組能耗並縮小系統體積，本研究使用碳化矽功率元件(MOSFET與SBD)開發整合型功率模組(PIM)，其耐電壓/電流為1,200 V/200 A，並導入絕緣金屬基板(IMS)設計，可提高元件操作溫度與提升系統整體效率。本文內容主要聚焦在整合型功率模組構裝設計與模擬分析，包括基板設計、模組電性、熱傳與應力設計及分析，並著重於運用工具模擬評估功率模組的電熱力性能表現。未來可推動SiC功率模組進入試產階段，加速產業技術升級，帶動寬能隙元件產業鏈成長。
【內文精選】
前 言
隨著市場對於高效節能系統的需求急遽地增長，傳統形式的Si IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)功率模組(Power Module)在前期技術開發下已有較成熟的構裝技術。而從未來模組構裝趨勢來看，主要朝功能提升、體積縮裝、可靠度提升及減少能耗等方向發展，並整合多種功能元件如驅動、電流感測、溫度感測器及保護電路等，朝向智慧型功率模組(IPM)與整合型功率模組(PIM)發展，目標為提升系統功率密度，如圖一所示。
圖一、碳化矽元件與模組發展趨勢
模組封裝結構與基板設計
在碳化矽功率模組設計方面主要針對製程上的接合材料與多種晶片(SiC MOSFET、SiC SBD、Si IGBT、Si FRD與Si Diode)進行整合封裝成一個碳化矽功率模組(圖三)。本研究之功率模組的開發流程如圖四：第一步定義模組規格與封裝形式之後，接著進行初步模組基板電路布局設計及三維模型建構；之後針對初版模組結構進行數值分析，包含電路萃取、熱傳/熱阻分析評估、電流密度、結構熱應力與可靠度評估等。隨後是針對功率晶片承載的基板設計，一般常見的高電壓/電流之功率模組基板使用DBC(Direct Bonded Ceramic)作為乘載之基板，由於陶瓷材料(Al2O3、AlN)的耐電壓/電流特性，以及熱傳導優於一般有機基板(Organic Substrate)/印刷電路板(Printed Circuit Board)，因而廣泛被用於高功率模組。然而在封裝製程的過程中，會產生基板翹曲量嚴重的問題，所以銅基板勢必要先進行預彎，以達到良好的平整性。這部分需要額外的應力與組裝經驗才能準確預測預彎的幅度，大幅影響了新型功率模組組裝的良率與開發時程。因此，本研究採用絕緣金屬基板(IMS)的設計取代DBC陶瓷基板，其在製程過程的翹曲程度大幅降低，故銅基板無需進行預彎即可達到良好的平整性。另外在熱阻特性方面，由於IMS基板的絕緣層材料僅有0.12 mm厚度，優於泛用的陶瓷材料厚度0.38、0.635 mm，加上材料本身不低的熱傳性能，使得絕緣金屬基板成為取代DBC陶瓷基板的選項之一。
圖四、碳化矽功率模組開發流程示意圖
熱應力可靠度設計評估與分析
半導體常見的可靠度失效問題，包括在元件方面因製程缺陷可能造成元件特性不如預期，或是表面離子濃度植入缺陷；在模組組裝方面可能發生打線接點強度不足或焊點區域發生氣孔率(VoidRate)過高問題；而設計可能造成的可靠度失效問題則有電壓耐壓不足發生擊穿或是電流均流不佳；在模組熱管理方面可能有散熱設計不足造成晶片過熱；最後是結構方面，可能因模組嚴重翹曲或晶片焊錫處在循環環境溫度負載測試(TemperatureCycling Test)下，造成結構發生介面剝離、晶片破裂與產品壽命低下等結果(5)。因此，本章節將透過熱應力模擬分析技術進行可靠度壽命評估。一般電子半導體產品常使用溫度循環負載測試(TCT)作為產品可靠度測試方法之一，利用不同測試條件之可靠度結果，藉此推估產品未來可能在不同環境下之使用壽命。此模組之熱應力電腦數值分析模型的建構，主要觀察的重點在於…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》416期，更多資料請見下方附檔。
