麦德美爱法代鹏:汽车电驱模块的银烧结应用

NE时代新能源

阅读 1708    更新于2022-09-30 13:41:00

2022年9月21-22日,由NE时代主办,巨力自动化总冠名,巨一动力、中车时代电气、华域电动、上海电驱动战略合作,华为数字能源、智新科技生态合作的“2022(第二届)全球xEV驱动系统技术暨产业大会”在上海嘉定圆满召开。

在22日的分论坛上,麦德美爱法中国区EV技术市场经理代鹏分享了汽车电驱模块的银烧结应用。越来越多的逆变器,特别是碳化硅逆变器基本上要用烧结银的解决方案。麦德美爱法在功率电子里面拥有全方位的解决方案,包括焊料、混合烧结、纯烧结银的解决方案,满足不同的需求。

以下为现场实录:

今天主要分享和碳化硅匹配最完美的一款材料——银烧结粘接材料,从以下几个部分做介绍:

第一,烧结银应用介绍。

谈到烧结银,不得不谈功率电子。我们可以看到,最早的功率电子主要用于白色家电,它的特点是高功率、高效。除了供电,再看最右边工业领域也有大量应用,比如特高压的传输,高铁的应用,也会用到功率电子的大功率、大电流、高电压的需求。在现在非常火的电动车应用中,包括了48V到200V的低压混动,它的要求和另外两边不一样的原因是,它对尺寸和重量都有要求。400V、800V的电车除了功率可靠性,还有重量的降低之外,还需要对工作温度要进一步提升。

如图所示是功率电子对芯片需求的发展历程,30年前1990年左右的时候,功率密度只要30千瓦/平方毫米,而它的工作温度只有125度。30年之后的今天,整个芯片功率要求达到250千瓦/平方毫米,换句话说功率密度提高了8倍。同时,它的工作温度对于芯片封装的要求需要有一个安全阈值,至少要达到最高工作温度200度,模块正常的最高工作温度会达到175度,这对封装材料提出了更高的要求。

整车厂对于功率模块也提出了许多需求,首先功率和可靠性越高越好,尺寸越小越好,成本越低越好,大家都希望汽车越来越便宜,整车厂希望整体的部件提供商能提供更便宜的解决方案。对于芯片封装的厂商,他们对于芯片的要求是载流频率越来越快,同时工作温度也要越来越高,这样功率密度才能提升,同时芯片尺寸也要越来越小,在这块碳化硅的芯片就是最好的解决方案,在碳化硅解决方案里面只是芯片从硅变成碳化硅以后,其实整个封装也系统也有很大的风险,因为其他材料都是基于硅基做开发的。如果基于硅基做芯片封装的开发会遇到很多问题,这是传统工艺和烧结工艺的区别。

如图所示,都是用打线工艺加上焊料或者模块和散热器之间都是用硅脂的方案,整个焊点和打线的位置都是模块最脆弱的地方。新工艺我们也看到中车的同仁分享了他们的分析,用引线框架作为导通的作用代替打线工艺,可以做到双面散热,这样是很好的解决方案。同时每一个连接面上都可以做到烧结,烧结用纯银的材料,它的散热都有很大幅度的提升。

为什么要用纯银作为烧结银这个材料?如图所示这是自然界中主要材料的导热系数总汇。导热最高的除了钻石的导热,能做到1000W/m.K以上以外,下面就是纯银这个材料,银是金属材料导热性能最好的,能做到19W/m.K,为什么不用铜?铜氧化以后对可靠性和稳定性有很大的影响,所以大家首选银。

如图所示我们做了一个和传统焊料的对比。银熔点是962度,电阻率1.6uohm,高铅焊料是在三极管封装里面常用的芯片粘接的材料,熔点大概在300度左右,电阻率17uohm。传统的无铅锡银铜焊料,熔点在220度左右,电阻率为14.5uohm。

如图所示是金锡焊料,是非常共晶材料,因为含金所以很贵,现在主要应用主要两块,一个是军工雷达的高频应用,还有一块是LED高功率的芯片粘接。熔点是280度,传统焊料都是在20-60瓦左右的散热能力。烧结银材料是烧结工艺完成之后,是一个纯银的材料,962度的熔点,因为它有纳米级的微孔结构,导热性能在200~300w/m.k是传统焊料5倍以上的表现,同时结合我们的纳米技术 大幅提升我们烧结强度。如右图,如果工作温度提高到175度的时候,工作温度和熔点的比较,当工作温度达到熔点的75%的时候,我们认为这只具有很弱的工程载荷,这个材料无法承担相应的工程载荷。如果低于25%的时候,是完全可以保证你的工程载荷的。如果SAC305的锡膏和烧结银比的话,SAC305在175度工作温度下结构可靠性非常弱,汽车设定的可靠性冷热循环的最高温度都是在125度的条件下也是考虑到焊料的影响。

烧结是什么原理?几千年前我们的古人用窑土烧结,陶土颗粒进行固体分子间的扩散,连接为一个整体,对于烧结银来说,原理是一样的,只是把陶土颗粒变成银颗粒,在一定的温度、压力和时间下,银原子会在这个温度下进行布朗运动,进行固体间的扩散。扩散以后,最后结合成固态结构,这个固态结构一定是多孔状的结构,和陶瓷结构一模一样。很多人会问,有空洞怎么办,这个空洞都是微观条件下的,用宏观的R-yay、超声波扫描是看不到的。烧结银可应用的点在哪些地方?第一是引线框架和芯片的连接,还有芯片和基板的连接,还有今天重点介绍的整个模块和冷水板或者散热器的连接。

如图所示是我们在功率电子整体产品线的推荐,我们有全功率电子整体解决方案。最上面是今天要介绍的烧结银,我们的烧结银最大的特点是可以应对各种不同的工艺应用领域。如左上图,有烧结银做印刷应用的,还有烧结银做点涂应用的,当你做散热器的时候有可能不是一个平面,做印刷无法做,我们可以用点涂的方式解决。我们还有Films的解决方案,还有Preforms的解决方案,很好的控制你的BLT。左下角是焊接解决方案,现在大家都会用到各种各样的焊料,有些公司也在做焊料的解决,我们可以提供锡膏高,也可以提供焊片,我们还可以提供混合烧结的产品。混合烧结可以提供相关的pastes为和Films,还有高铅的焊料。

我们怎么来选择不同的解决方案?如图所示做解释。这里面取决于你的散热需求,大家都会做一些热设计的应用,芯片封装中需要什么样散热都要做相关设计。假设你的散热要求在20瓦以下用导电胶就够了。接下来散热要求能做到20-50瓦的话,建议你用焊料的解决方案,焊料高铅的大概在26,无铅的大概在50左右。如果你要做到100瓦的散热,建议用到我们混合烧结解决方案,能做到100瓦的散热能力,如果要做到200瓦的散热能力,建议用到纯烧结 Argomax®的解决方案。从工艺上看最简单的就是焊料方案,接下来就是混合烧结方案,工艺相对起来复杂一些,可靠性最高的,就是纯烧结的工艺。

第二,电驱模块/散热模块银烧结应用介绍。

在大面积的烧结过程中,会遇到哪些问题?第一,由于面积过大,如图所示,不同材料的热膨胀系数有非常大的差异。在这么大面积连接下,做功率循环或者冷热冲击时的时候,温度变化会对连接材料产生非常大的热应力。这样的热应力会对材料造成损伤,所以大家都会做功率循环和冷热冲击的测试。第二,模块和散热器不同温度下CTE的不同会产生一些翘曲,连接过程中也会造成整体的影响。第三,塑封料。它是整个材料里面最脆弱的材料,特别是工艺烧结的时候,塑封料的Tg点大约在175度,过程中是否也会对塑封料有影响?第四,不同散热方案下如何用更好的材料做匹配,这也是一个很大的问题。

如图所示,我们选择了银烧结工艺。它可以把烧结银印刷到散热片上或者冷水板上,直接进行贴片,贴完片以后进行烘烤。烘烤完之后再进行压力烧结,后面我会具体介绍每一步的工艺。

首先是做印刷,也可以做点涂,如果你的散热器不是平面的话,我们也有点涂的解决方案,大家有兴趣可以到门口的展台具体咨询我们的专家。印刷情况下可以避免空洞、拉间的问题。

我们可以在膏状的条件下进行贴装,有时候印刷完之后进行烘烤后再贴片的话,印刷的所有问题无法进行弥补,比如有空洞、拉间、印刷不良的问题都无法弥补,我们的产品可以在膏状状态下进行模块贴片,有效避免银烧结工艺里面的印刷不良,同时还能保证产品零空洞的问题。

接下来是烧结工艺,它是一个压力烧结。压力值是10-15兆,上压头的温度150度,原因是因为塑封料的Tg点175度,当温度超过175度之后,很容易把它压坏。烧结完要做验证,首先一个验证是推力验证。如图所示,当它推开的时候,断裂面不在烧结面了,说明烧结面的可靠性已经非常高了,这是烧结最大的表现。同时我们会做热阻对比,如图所示,其他材料都不变,只是把原来的焊料换成烧结银以后,整体热效率提升了12%,热阻降低了12%,这是热设计当中非常大的提升。

同时我们也会做可靠性测试,第一是冷/热冲击测试,我们设置了三个冷/热冲击条件,-40/125度,-55/155度,-55/165度,唯一的区别是用焊接工艺的条件下,我们是500次循环就取出来了,烧结的工艺条件下一千次循环取出来。做超声波检测,如图所示,-40/125度,焊料有开裂,但是不明显。当你提升到155度的时候,有80%的地方已经开裂,发白的地方就是有开裂的。当你做到,-55/165度的时候,焊料基本上完整的焊接面已经开裂了。-55/165度的时候只有角上有略微开裂,开裂面积大约在5~8%的样子,而且可靠性、冷热冲击循环是焊料的2倍,是一千次循环的表现。如图所示是烧结银和焊接功率循环对比。烧结银做到了35万次的功率循环,它仍然可以工作。

结论,烧结银现在可以应用于任何结构的功率模块设计上了,无论是芯片和基板的烧结,或者是模块和冷水板、散热器的烧结都是没有问题的。越来越多的逆变器,特别是碳化硅逆变器基本上要用烧结银的解决方案。现在烧结银已经在市场上被大规模验证过了,每个月都有大量的出货,我们认为剪切力和热阻是评估烧结工艺的有效手段,而且烧结银对比焊接工艺是10倍于它的工艺。

麦德美爱法能为您做什么?如果要用到碳化硅、烧结银,我们会把我们的相关经验介绍给各位,跟您一起开发。我们也有十年经验给大家提供相关的技术支持,除了我们有烧结银以外,我们也有功率电子里面全方位的解决方案,包括焊料、混合烧结,还有纯烧结银的解决方案,满足大家不同的需求。

我们现在在全世界有4家应用实验室,分别在美国、德国、新加坡、日本。在今年年底,我们会在中国上海也会开一个应用实验室,专门应对中国市场功率模块各种各样的需求,比如你们需要做一些模块设计打样、热设计、前期的验证,都可以和我们一起合作,我们可以给到大家一些宝贵的经验。

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