车规模块系列（五）：DBB/铜绑定技术

铜绑定，一种芯片互连技术

上篇我们聊了聊关于Cu-Clip技术，今天我们回到绑定线，聊一聊之前我们DCM1000系列谈及的铜绑定技术。

写在开头

我们可以看到，在早些年，功率模块的发展主要以芯片的发展为主，例如从IGBT3到IGBT7，至少在IGBT4之前我们没有看到市面上出现太多的封装技术的重大革新，主要还是由于它们能够满足当时的市场需求。当第三代半导体（其实早就开始研究了）以及新能源汽车等新兴电力电子领域的出现和发展，对于功率模块的发展不仅仅停留在芯片技术的迭代，同时为了满足更高的需求。性能取决于封装技术的高占比率，汽车行业对于成本效率、可靠性和紧凑性有着很高的要求，新的封装技术和工艺日益浮出水面，可能它们早就在“水底”孕育了很久。

相比于之前的标准化模块封装，近年来各具特色的模块封装类型都慢慢映入眼帘，就好比之前我们聊到的DCM、HPD和TPAK等等。并且其中细节部分也有着不一样的改进，如DBB技术、Cu-Clip技术、激光焊接、SKiN、单/双面水冷、银烧结、铜烧结等等，无疑给模块封装技术增添了更多组合的可能，以应对不同的性价比和应用。

今天我们就来聊聊铜绑定，以一篇丹佛斯硅动力的一篇论文来看看这个工艺的特点。

DBB技术

相对于传统的铝绑定线工艺，铜绑定线需要对芯片表面进行要求更高的金属化，而丹佛斯键合缓冲Danfoss Bond Buffer (DBB)技术就是为了铜绑定线进行的表面处理。

在模块生产制造过程中，在芯片顶部额外地烧结一层铜层，防止芯片在超声波焊接过程中开裂，提供了所需的机械粘接缓冲作用。芯片的顶部的铜层适合键合直径可达500um的铜线，同时，芯片的底部被烧结到DBC上，铜绑定和烧结技术的结合显著地提高可靠性以及功率密度。

DBB技术是为了减少CTE不匹配带来的热机械应力，除了在键合过程中吸收能量以及保护芯片，其还具有一定的热学优势。

DBB的主要工艺步骤如下，

芯片烧结到DBC和芯片表面的DBB可以使用同一台烧结设备和工艺。下面是一个DBB技术模块的局部示意图，

上图中，DBC衬底和DBB铜层都有一层NiAu表面，以达到更好的延展性。

DBB中的铜层形成了一个热容量，对于模块的Zth有着一定的影响，但不会增加其热阻Rth。其大面积的铜层，以及铜层的厚度比普通的Al顶层要厚得多，导致了更好的电流扩散，提供了更为均匀的电流密度分布。

热特性

利用有限元仿真工具，在相同条件下对比了三种情况下的热参数，

缓冲层（70um）+铜绑定线（300um）

缓冲层（70um）+铝绑定线（300um）

无缓冲层+铝绑定线（300um）

热阻抗曲线如下，

PaneA中，在1ms处单纯Al线和缓冲层加Cu线热阻抗相差0.01K/W主要是由于铜线具有较高的热导率；PaneB中，纯Al线和缓冲层加Al线热阻差了约0.003K/W是由于缓冲层厚度较高引起的。

热机械应力

为了评估Si芯片和DBB铜层之间的银烧结层内的应力，采Suhir的轴对称模型，计算出了层状材料（顶层和底层）的弹性弯曲应力分布和连接层中的应力，即剪切应力。轴向对称近似矩形，其半径由边长的一半或者对角线来定义，或者通过使用等面积的方法。Suhir表明，大面积的剪切应力只存在于一定的外围区域，如下图中的曲线“剪切DBB/Chip”所示，在一定横向尺寸内保持不变。

同时也给出了一些相关参数对剪切力的关系。

不同DBB厚度下，DBB烧结层的剪切应力与厚度成正相关性。

不同芯片厚度下，DBB烧结层的剪切应力与厚度成正相关，相同面积下，SiC大于Si。

不同芯片厚度下，芯片到DBC的烧结层剪切应力。可以看出芯片越薄，烧结层中的应力越低。

不同DBB铜层厚度下，芯片到DBC的烧结层的剪切应力。可以看出，DBB越厚，芯片到DBC的烧结层剪切应力越小，但需要结合第一个柱状图，DBB越厚，DBB烧结层的剪切应力越大。这两种需要进行相应的权衡。

TC和PC循环

TC测试在-40/+150℃，15/15min下进行，给到了开始前和750次循环后的SAM图像，

可以看出，烧结层都没有变化迹象，而DBC的铜层明显有损伤，此时DBC的可靠性成了木桶效应的短板。

PC测试基于100A/1700V的IGBT进行，分别有DBB技术和传统的铝绑定线加焊接(ST)的样品，测试条件如下，

可见采用DBB技术的功率循环能力得到了飞跃的提升。

参考文献，

Jacek Rudzki, Danfoss Silicon Power GmbH, Flensburg, Germany, "Power Modules with Increased Power Density and Reliability Using  Cu Wire Bonds on Sintered Metal Buffer Layers"

小结

今天以DBB技术为基础，大致聊了一下铜绑定线带来的一些优势，当然归根结底还是为了更高的功率密度和可靠性。但功率半导体没有一个过程是固定不变的，都是在反反复复的折中过程中寻找着属于自己的最优解，DBB技术是一种，那相信其他家的铜绑定或者Cu-Clip都有属于自己模块的最优解。

这不正是我们学无止境的原因所在吗？也许下篇我们可以再聊一下另一种芯片互连技术（SKiN技术）。

今天的内容希望你们能够喜欢！