车规模块系列（五）：聊一聊DBB/铜绑定技术
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
autumn is coming
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。
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。
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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。
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小结
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