DTS (Die Top System)技術(shù)

距離上次更新差不多兩個(gè)月了，轉(zhuǎn)眼就到了2023年的最后一天。

加入國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體的隊(duì)伍也有兩月，雖然時(shí)間不長(zhǎng)，但感受到了無(wú)盡的激情，從工業(yè)為主的日常工作內(nèi)容到電動(dòng)汽車(chē)為主，新的應(yīng)用領(lǐng)域有著很多不一樣的東西和樂(lè)趣。

今天我們來(lái)聊一聊車(chē)規(guī)模塊中的一種芯片表面互連技術(shù)--Die Top System, DTS。

前言

什么是DTS？這個(gè)詞匯也是前段時(shí)間才第一次聽(tīng)說(shuō)，可能很多朋友早就聽(tīng)說(shuō)過(guò)或者接觸過(guò)，突然覺(jué)得孤陋寡聞了。出于成本的原因，工業(yè)模塊中很少會(huì)采用這種技術(shù)，所以很多小伙伴不是很了解，包括我自己。

所以，知識(shí)的海洋很大，我們只是在其中一葉小舟，在前行的過(guò)程中不斷地積累，以應(yīng)對(duì)不同的風(fēng)浪。

DTS技術(shù)

DTS技術(shù)由Heraeus提出的一種芯片頂部系統(tǒng)技術(shù)，以下基于賀利氏的一篇論文展開(kāi)，Aarief Syed-Khaja, "Material Solutions for High-reliability and High?temperature Power Electronics".

模塊內(nèi)部采用的連接技術(shù)最常見(jiàn)的是焊接和鋁線互連，通常使用的鋁線線徑在100um~500um，而這些在150℃以上時(shí)，這些的可靠性就有了局限性。這也是很多應(yīng)用要求模塊封裝技術(shù)不斷推陳出新的因素之一，比如新能源汽車(chē)。

隨著運(yùn)行溫度和可靠性要求的提升，在車(chē)規(guī)模塊中采用銅線代替鋁線，但銅線直接鍵合到傳統(tǒng)的芯片金屬化會(huì)導(dǎo)致一些損傷和缺陷，這一點(diǎn)在我們之間聊丹佛斯DBB技術(shù)時(shí)提到過(guò)。從而賀利氏推出的DTS技術(shù)有效地解決了硬銅線綁定的一些顧慮，下面是DTS的橫截面圖，

它包含了在銅片上的預(yù)涂銀層，來(lái)保護(hù)芯片免受相對(duì)于鋁綁定線而言更高的鍵合力。同時(shí)，它將芯片電流產(chǎn)生的熱量均勻地分布到整個(gè)芯片表面，降低芯片局部溫度峰值，改善了電熱性能。

銀燒結(jié)

傳統(tǒng)焊料的熔點(diǎn)在220℃~240℃之間，在較高的運(yùn)行溫度下會(huì)出現(xiàn)過(guò)早的失效，特別是碳化硅此類(lèi)的寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用中。而銀的熔點(diǎn)在962℃左右，非常薄的銀層（如20um或30um）作為粘合層，能夠滿足高溫要求。同時(shí)銀的高熱導(dǎo)率200W/mK，具有較低的熱阻。

DTS

DTS是銅箔帶有預(yù)涂銀膏的組合，主要適用于單面水冷設(shè)計(jì)，其中芯片的熱量也可以有效的從芯片頂部耗散。DTS交付時(shí)是保存在8英寸的框架中，易于處理和存儲(chǔ)，銅箔厚度為50um，預(yù)印的銀膏為40um。

組裝過(guò)程

使用DTS技術(shù)的模塊制造和傳統(tǒng)燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程相似，在基板上放置芯片，取出DTS熱放在芯片表面，可以將模塊內(nèi)部所有芯片放置完成之后再放置DTS，或者芯片和DTS交替放置，根據(jù)實(shí)際需求選擇。DTS和芯片同時(shí)燒結(jié)。

燒結(jié)參數(shù)

燒結(jié)機(jī)和工藝參數(shù)主要決定了燒結(jié)質(zhì)量。主要參數(shù)為時(shí)間、壓力和溫度。燒結(jié)質(zhì)量也受到組件上的壓力分布、組件的高度、表面污染和工藝氣氛的影響。通過(guò)燒結(jié)接頭的孔隙度來(lái)評(píng)價(jià)其質(zhì)量。對(duì)于帶有SMD組件的模塊，如ntc和墊片，應(yīng)使用適當(dāng)?shù)母叨妊a(bǔ)償支撐材料。

線鍵合

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片采用了標(biāo)準(zhǔn)的鋁金屬化技術(shù)。銅線結(jié)合在鋁金屬化上是不可能的，需要一個(gè)兼容的厚銅金屬化。為了粘合一根直徑為300μm的銅線，需要至少40μm的高質(zhì)量銅金屬化，以不損害芯片的活性表面。傳統(tǒng)的濕鍍銅還不可能，但仍在研究階段，以高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。DTS技術(shù)可以很好地解決這一問(wèn)題，能夠滿足500um的粗銅線。

可靠性

DTS系統(tǒng)與銀燒結(jié)結(jié)合應(yīng)用對(duì)其可靠性有巨大的影響。僅用銀燒結(jié)劑代替焊料，用DTS燒結(jié)和銅線代替頂部鋁線，在極端條件下，結(jié)溫度至少降低了10K，壽命至少增加了10倍。

燒結(jié)質(zhì)量對(duì)模塊的可靠性有重要影響，DTS的設(shè)計(jì)是為了使設(shè)備能夠一步燒結(jié)，并避免額外的膏印和檢查步驟。器件的兩步燒結(jié)過(guò)程，即芯片燒結(jié)后再進(jìn)行DTS燒結(jié)，可能會(huì)在芯片頂部帶來(lái)粘附問(wèn)題，導(dǎo)致燒結(jié)質(zhì)量差。在不可避免的兩步燒結(jié)的情況下，建議在放置DTS前進(jìn)行等離子體清潔步驟。

小結(jié)

可見(jiàn)，DTS是為了更好地使用銅綁定線，所有我們經(jīng)常看到的組合是DTS+TCB，使得模塊能夠運(yùn)行在更高的結(jié)溫和具有更高的可靠性，適用于SiC等第三代半導(dǎo)體的需求。

DTS技術(shù)的推出其實(shí)和丹佛斯DBB技術(shù)有著不小的淵源，有時(shí)候推成出新更多的是優(yōu)化和創(chuàng)新的結(jié)合。我們不也正是在學(xué)習(xí)的路上希望著能夠有所創(chuàng)新嘛！

今天的內(nèi)容希望你們能夠喜歡！