高可靠性且成本效益高的瞬态液相键合技术，用于电源模块中的大面积互连

《IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology》：High-Reliability and Cost-Efficient Transient Liquid Phase Bonding for Large-Area Interconnects in Power Modules

本研究采用多孔Cu和Sn基焊料进行瞬态液相连接，优化参数（20min, 0.5MPa, 250℃）实现高剪切强度（49.2MPa）和优异热导率，成功应用于DBC基板与散热器连接，并通过热冲击测试验证了长期可靠性。

　　

摘要：

在这项研究中，使用了多孔铜（Cu）和锡（Sn）基焊料作为瞬态液相（TLP）键合的粘合材料。多孔铜的高比表面积促进了与锡的快速反应，形成了金属间化合物（IMCs），并在较短的加工时间内实现了稳定可靠的接头。键合后的分析表明，这些接头由铜和高熔点IMCs组成，确保了优异的高温可靠性。为了确定最佳的键合参数，在不同条件下进行了实验。通过系统地评估截面特性和剪切强度测试来识别合适的键合参数。最终确定的最佳键合参数为：键合时间20分钟、压力0.5 MPa、温度250°C以及铜含量52 wt%。在这些条件下，实现了平均剪切强度为49.2 MPa的结果。TLP键合过程完成后进行了热导率测量，室温下的平均热导率为112.3 W/(m·K)，而在200°C时热导率降至102.6 W/(m·K)，显示出在高温下的优异热性能。随后，将这种多孔铜TLP键合技术应用于大面积直接键合铜（DBC，尺寸为35×35 mm）和散热器互连。可靠性评估的热冲击测试显示，经过1000次循环后，接头的剪切强度仍为40.23 MPa，微观结构分析也未发现显著退化。这些发现证实了这些接头的长期使用可靠性。本研究为功率模块中的大面积互连提供了一种高度可靠且成本效益高的解决方案。

引言

近年来，随着对环境保护的重视程度不断提高，风能和太阳能等绿色能源的采用显著增加，电动汽车（EVs）的发展也进入了新的阶段。功率模块作为可再生能源电网集成和高效电力传输的核心组件，以及在电动汽车中的电力转换和控制关键部件，通常需要在高温和恶劣的环境中运行[1]、[2]、[3]、[4]。因此，这对功率模块的可靠性提出了更高的要求。然而，传统的基于硅的半导体功率模块在开关频率和功率密度增加时面临局限性[5]、[6]。目前，宽带隙半导体——主要是碳化硅（SiC）——正在逐渐取代基于硅的半导体，以满足更高的性能和服务要求。与基于硅的半导体相比，宽带隙半导体具有更好的高温稳定性和高频开关性能，同时具有更低的导通电阻和更高的热导率[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。尽管宽带隙半导体的使用提升了功率模块的性能，但也导致了更高的工作温度，从而给电子封装带来了新的挑战，需要使用兼容的互连材料[12]、[13]。图1展示了典型的功率模块封装结构。模块封装的主要目的是为组件提供电气和热连接以及机械支撑，以确保模块的整体可靠性。其中，模块接口互连主要包括芯片与直接键合铜（DBC）基板之间的连接，以及DBC基板与散热器之间的连接。为了获得最佳性能，DBC基板与散热器之间的键合界面必须同时具备优异的高温可靠性和良好的热导率。

图1. 功率模块结构的截面图。