[前瞻洞察] 固態(tài)銅片燒結(jié) · 破局PCB嵌入式功率模塊可靠性的故事：應(yīng)力控制、孔隙率、C-SAM、熱循環(huán)、動態(tài)測試的一起閉環(huán)

這篇我們聚焦于：PCB嵌入式封裝技術(shù)，準(zhǔn)確的說法應(yīng)該是銅燒結(jié)在功率模塊嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用方法和思考。

先說一個(gè)判斷：嵌入式功率模塊走向量產(chǎn)以后，競爭點(diǎn)會從“結(jié)構(gòu)是否新”轉(zhuǎn)向“材料、工藝和測試能不能說清楚”。如果只是展示一個(gè)D-Cell（標(biāo)準(zhǔn)化芯片嵌入單元）樣件，行業(yè)并不缺；真正缺的是：把芯片交給誰、誰來燒結(jié)、誰來測靜態(tài)電參、誰來承擔(dān)后續(xù)動態(tài)和短路驗(yàn)證，這些邊界必須提前分清。

黃明欣老師在現(xiàn)場提到了一個(gè)很關(guān)鍵的視角，這條路線不是簡單把銀燒結(jié)換成銅燒結(jié)，而是在解決三組現(xiàn)實(shí)矛盾。

• 第一，1200V級器件需要高擊穿絕緣和高導(dǎo)熱絕緣同時(shí)成立；

• 第二，PCB板廠希望芯片頂部銅更厚，晶圓廠又不愿意在整片晶圓上做過厚電鍍；

• 第三，D-Cell做完以后如果反復(fù)做動態(tài)、短路和UIS（非箝位感性開關(guān)）測試，反而可能把好芯片提前打傷。

因此，這篇前瞻洞察，我們重點(diǎn)關(guān)注三件事：界面能不能可靠連接？熱循環(huán)之后連接面積能不能保持？最終有沒有一套適合量產(chǎn)的電參和無損檢測流程？

一、量產(chǎn)卡點(diǎn)：嵌入式封裝熱起來以后，最怕的是絕緣、連接和測試沒有標(biāo)準(zhǔn)

PCB嵌入式封裝的收益不再做贅述了，這里想說的關(guān)鍵是：把芯片放進(jìn)PCB或類似層壓結(jié)構(gòu)這種形式，一旦進(jìn)入車規(guī)功率模塊和主驅(qū)應(yīng)用，其所帶來的收益就必須先經(jīng)過高壓絕緣和熱可靠性的拷問。

1200V SiC器件下面如果使用絕緣膠層，材料通常是聚合物基體加陶瓷填料，例如氧化鋁、氮化鋁或其他高導(dǎo)熱填料。問題在于，填料加得越多，導(dǎo)熱率越容易上去，但界面結(jié)合力、加工性和長期可靠性就會變難。

所以，這里真正卡住的不是有沒有高導(dǎo)熱材料，而是高導(dǎo)熱、高絕緣和強(qiáng)粘接能不能同時(shí)成立。

因此，連接可靠性是實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)必須跨國的門檻。

現(xiàn)實(shí)是，銅的熱膨脹系數(shù)明顯高于SiC，冷熱線循環(huán)時(shí)銅基座和芯片之間會形成剪切應(yīng)力，如果中間連接層既沒有足夠韌性，也沒有足夠低的孔隙率，TST（溫度循環(huán)測試）里很容易把界面逐步拉開。

二、厚銅不是小問題：PCB板廠和晶圓廠之間，其實(shí)有一個(gè)工藝窗口博弈

另一個(gè)容易忽略但不得不重視的點(diǎn)是：頂部厚銅的參數(shù)選擇。

PCB板廠在激光打孔時(shí)希望芯片頂部銅更厚，因?yàn)殂~層太薄時(shí)，打孔工藝窗口很窄，板廠稍有高度誤差或能量波動，就可能傷到芯片本體，影響良率。

但晶圓廠的立場并不一樣。整片晶圓上做較厚電鍍銅，往往要經(jīng)歷80到100°C量級的電鍍過程，晶圓尺寸越大，熱應(yīng)力和翹曲越難控制。到了6英寸、8英寸以后，翹曲還會影響后續(xù)切片和分片。所以，目前行業(yè)里“十幾微米”頂部銅厚度，本質(zhì)上不是一個(gè)天然最優(yōu)值，而是PCB加工窗口和晶圓加工窗口之間的折中。

大乙的路線換了一個(gè)切入點(diǎn)：不要求晶圓廠在整片晶圓上做特別厚的頂部電鍍，而是在單顆芯片層面使用固態(tài)銅片燒結(jié)，這也是大乙最與眾不同的地方。

具體而言：頂部DTC（Die Top Cu，芯片頂部銅）可以按30微米甚至50微米定義，銅片厚度公差可以控制在約正負(fù)1到2微米，而普通芯片厚度公差往往在約正負(fù)10微米量級。

這么做有什么好處呢？

出發(fā)點(diǎn)還是良率，因?yàn)檫@把問題從“晶圓廠要不要為嵌埋封裝改一條特殊工藝線”，轉(zhuǎn)成“模塊或封裝環(huán)節(jié)能不能在單顆芯片上穩(wěn)定加厚銅”。更重要的是，這一路線可以兼容今天常見的Ni/Pd/Au芯片金屬化體系，模塊廠和車廠不必一開始就綁定特殊RDL或?qū)Ｓ镁A制程。

三、可靠性的材料邏輯：銅片不是普通銅膏，關(guān)鍵在低溫?cái)U(kuò)散和韌性釋放應(yīng)力

下面從理論角度解釋下大乙半導(dǎo)體選擇銅片的邏輯。

原因并不是因?yàn)椤般~燒結(jié)比銀燒結(jié)便宜”，這背后的出發(fā)點(diǎn)是為了可靠性。想解釋清楚這個(gè)問題要回到材料疲勞：冷熱線循環(huán)時(shí)，中間連接層既要承受塑性變形，又不能讓孔洞擴(kuò)展成貫通裂紋。

通過Coffin-Manson疲勞模型可以對這一選擇背后邏輯進(jìn)行解釋：...(知識星球發(fā)布)

另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是低溫?cái)U(kuò)散：...(知識星球發(fā)布)

四、熱路和測試要一起閉環(huán)：只把界面燒好，還不等于模塊能量產(chǎn)

嵌入式封裝還有一個(gè)容易被忽略的地方：界面連接再好，如果底部絕緣導(dǎo)熱材料不夠強(qiáng)，熱表現(xiàn)可能反而不如傳統(tǒng)DBC或AMB基板模塊。這里也是黃老師介紹的重點(diǎn)。

下圖式大乙對高導(dǎo)熱TIM（熱界面材料）和絕緣陶瓷材料作對比，就是在提醒：熱路不是只看芯片頂部和底部燒結(jié)，還要看絕緣層厚度、導(dǎo)熱率和真實(shí)測試方法。

測試策略是讓產(chǎn)品從概念走向成熟的核心，不能機(jī)械疊加。

芯片來料在CP階段已經(jīng)做過測試，D-Cell燒結(jié)完成后，最需要確認(rèn)的是芯片有沒有在壓接、加熱和燒結(jié)過程中被損傷...(知識星球發(fā)布)

下面看看靜態(tài)電參和C-SAM（超聲掃描顯微檢測）的結(jié)果：...(知識星球發(fā)布)

再往后看TST結(jié)果...(知識星球發(fā)布)

五、應(yīng)用邊界：無人機(jī)、機(jī)器人和傳統(tǒng)模塊，真正拼的是材料平臺能否被接受

從應(yīng)用角度看，嵌入式GaN或SiC模塊最先容易打動人的場景，往往不是普通逆變器，而是對體積、重量和熱路徑極端敏感的系統(tǒng)。

• 長航時(shí)無人機(jī)就是一個(gè)典型例子：傳統(tǒng)驅(qū)動若仍使用較大的IGBT功率單元，體積和散熱都會吃掉系統(tǒng)余量；嵌入式GaN驅(qū)動把功率級做小之后，減重會直接轉(zhuǎn)化為航程或載荷空間。

• 機(jī)器人關(guān)節(jié)和靈巧手的邏輯類似，但器件選擇更可能偏向GaN。原因是關(guān)節(jié)驅(qū)動更看重小型化、高頻、高功率密度和布線簡化。若驅(qū)動、控制和功率器件能在更小的圓形PCB或關(guān)節(jié)空間內(nèi)集成，熱阻降低、布線縮短和電流紋波控制才會成為真正收益。

最后，除了嵌入式封裝，固態(tài)銅燒結(jié)在傳統(tǒng)模塊也有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力：在傳統(tǒng)功率模塊上，頂部DTS燒結(jié)也是一個(gè)更接近落地的方向。銅對銅連接可以減少銀層帶來的遷移和電遷移隱患，且溫度、壓力和引線鍵合流程與現(xiàn)有模塊工藝更容易銜接。