話說，你們第七代芯片模塊為什么不能夠持續運行在175℃?......

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故事就這樣開始了

近幾年主流芯片制造廠商，包括Infineon, Fuji, Mitsubishi等都相繼問世了第七代芯片，在芯片大小，芯片厚度，飽和壓降，開關損耗等權衡之間進行了升級。其中，最高工作結溫被提及的次數略多。

其中富士的AN是這樣介紹的

英飛凌的AN是這樣介紹的

這樣的話，很容易就出現了開頭的那個問題，也是經常被問及的問題。你要說英飛凌的IGBT7無法連續運行在175℃嗎?我肯定不信，為什么這么說?其實富士的AN那句截圖后面還有幾個字，

封裝技術，富士第七代模塊能夠持續運行在175℃的主要原因還是它針對于模塊封裝進行改進升級，那英飛凌不能夠做到嗎?或者其他供應商不能夠做到嗎?答案顯然不是，肯定是能夠做到的，我猜想，暫時沒這么做的原因是處于多方面的，目前大多是行業還沒有迫切地需求175℃，亦或者是短暫的175℃過載已經能夠滿足要求了，沒必要在成本幾乎占主導的市場做過多的性能溢出。

說到封裝技術的限制，讓人又不得不聯想到第三代寬禁帶半導體，之前我們有聊到，第三代半導體碳化硅，氮化鎵相對于硅基的一個特點是可以工作在更高的溫度(>500℃)，但是受封裝限制，短時間肯定無法實現。在新能源汽車領域上，不難看到Tj,max在200℃的模塊，主要是新能源相對于傳統工業或者風光儲等來說，模塊封裝設計自由度較高，比如丹佛斯的DCM1000系列，或者賽米控的EMPACK等。

所以，市場需求和成本導向決定了取舍，不是我不能，是我暫時不想。那連續運行更高的結溫到底需要什么樣的封裝技術呢?為什么要這樣呢?我們先來看看富士的AN如何說的。

新材料開發(高散熱絕緣基板，高耐熱硅凝膠，高強度焊錫)，其實這些改動是為了在更高的結溫下能夠使得可靠性不會因此而降低。下面我們一起來看看，IGBT運行更高的結溫到底要考慮哪些?

175℃/over那些事

首先，上述無論是第七代硅基芯片還是寬禁帶半導體芯片，其真實的允許工作結溫肯定是超過175℃的，或者更高的溫度。之前我們有聊到過，芯片材料的溫度取決于其本征載流子和摻雜濃度，為了維持基本功能，本征載流子的濃度不能超過最低摻雜濃度。

如果連續運行溫度從150℃提升到175℃，也就是說模塊材料的熱應力相應地增加了25℃，同樣的溫度變化范圍也會有所變大，因此需要開發新材料來滿足這些變化。我們先來看看富士同樣的模塊在兩個溫度上的功率循環對比，

可見，溫度從150℃增加到175℃，壽命減少了30%~50%，所以需要針對封裝進行優化已滿足壽命的降低，這樣才能夠達到真正意義上的持續175℃工作結溫。

下圖是功率模塊組成部分，

功率半導體芯片、互連材料、陶瓷基板、綁定線、底板、封裝劑以及外殼。

01互連材料

模塊內部的互聯，從最早的鉛錫系統，到無鉛焊料，但是其耐溫相對較低，而當下流行的銀燒結，完全足夠解決這個問題，但相對而言成本較高。富士采用的是以Sn-Sb為基礎強化的一種焊料，能夠滿足175℃這一要求。

02陶瓷基板

直接鍵合銅DBC應用較為廣泛，夾在銅層之間的陶瓷層能夠承受相應的高溫。主要挑戰在于盡量減少由于各層之間的熱膨脹系數CTE不匹配而產生的熱機械應力。其中AlN相對于Al2O3具有更高的熱導率，CTE更接近芯片，但成本較高，包括Si3N4。而為了高溫下的可靠性，AlN一般作為首選，富士就是AlN。另外，直接鍵合鋁也可用于基板，但由于鋁在大溫度循環中會出現表面粗造化，一般很少用在高溫功率半導體模塊中。

03綁定線

綁定線斷裂作為功率循環中的一種失效模式，為了在高溫和大溫度循環下的可靠性，綁定線的材料和焊盤金屬化材料都需要進行仔細選擇。優選的是，綁定線和焊盤采用相同的材料，因為在高溫下不同金屬之間會發生相互擴散和界面腐蝕，從而降低連接可靠性。富士采用的在鋁表面鍍層鎳來進行綁定，鋁和鎳已被證實高達350℃下是可靠的。

04底板

襯底需要具有一定的機械強度和高的熱導率，并和DBC的熱膨脹系數相匹配，由于銅相對AlN而言，CTE匹配程度相對較差，可以嘗試金屬基復合材料MMC來改善。

05封裝劑(硅凝膠)

我們一般說的硅凝膠主要功能是保護芯片和綁定線不受環境影響，如水分的擴散、化學污染，同時還應增加模塊內部的介電強度和散熱。硅凝膠的轉變溫度需要較高，否則會出現裂紋甚至降解。

06外殼

外殼也一樣存在一個轉變溫度Tg，需要具有較高的值來保護模塊免受振動、機械沖擊和環境的影響。

富士AN是這樣寫的

以上是IGBT或者第三代半導體工作在更高的工作結溫時所需要考量的因素，更高的溫度下保證客觀的壽命是很重要的，而行業應用的需求同樣也必須考慮在類。而根據更高的溫度帶來的好處，想必在不久的將來，175℃將成為一個普遍的需求。

不要問我為什么

行業的趨勢，成本的考量，模塊廠家的戰略決定了市面上我們所看到的，并不是某個人可以決定的。讀完今天的內容想必應該對175℃那些事略知一二，足矣!

審核編輯：湯梓紅