銀燒結(jié)技術(shù)助力功率半導(dǎo)體器件邁向高效率時(shí)代

隨著新能源汽車、5G通信、高端裝備制造等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，功率半導(dǎo)體器件作為其核心組件，正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。在這些領(lǐng)域中，功率半導(dǎo)體器件不僅需要有更高的效率和可靠性，還要滿足壽命長(zhǎng)、制造步驟簡(jiǎn)單易行以及無鉛監(jiān)管的要求。這些都對(duì)焊接材料和工藝提出了更高、更全面的可靠性要求。而銀燒結(jié)技術(shù)，作為一種新型的高可靠性連接技術(shù)，正在逐漸成為功率半導(dǎo)體器件封裝領(lǐng)域的主流選擇。

一、銀燒結(jié)技術(shù)的原理與優(yōu)勢(shì)

銀燒結(jié)技術(shù)，也被稱為低溫連接技術(shù)（Low temperature joining technique, LTJT），是一種新型無鉛化芯片互連技術(shù)。它可在低溫（<250℃）條件下獲得耐高溫（>700℃）和高導(dǎo)熱率（~240W/m·K）的燒結(jié)銀芯片連接界面。這種技術(shù)主要利用微米級(jí)及以下的銀顆粒在300℃以下進(jìn)行燒結(jié)，通過原子間的擴(kuò)散從而實(shí)現(xiàn)良好連接。

銀燒結(jié)技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)。首先，燒結(jié)連接層成分為銀，具有出色的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。其次，由于銀的熔點(diǎn)高達(dá)961℃，不會(huì)產(chǎn)生熔點(diǎn)小于300℃的軟釬焊連接層中出現(xiàn)的典型疲勞效應(yīng)，因此具有極高的可靠性。此外，燒結(jié)材料不含鉛，符合環(huán)保要求。相對(duì)于焊料合金，銀燒結(jié)技術(shù)還可以更有效地提高大功率硅基IGBT模塊的工作環(huán)境溫度及使用壽命。

二、銀燒結(jié)技術(shù)在功率半導(dǎo)體器件封裝中的應(yīng)用

隨著新一代IGBT芯片及功率密度的進(jìn)一步提高，對(duì)功率電子模塊及其封裝工藝要求也越來越高。特別是芯片與基板的互連技術(shù)，很大程度上決定了功率模塊的壽命和可靠性。傳統(tǒng)釬焊料熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱性差，難以滿足高功率器件封裝及其高溫應(yīng)用要求。而銀燒結(jié)技術(shù)憑借其高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電以及高可靠性的優(yōu)勢(shì)，正逐漸成為功率半導(dǎo)體器件封裝的首選。

提高功率模塊的工作環(huán)境溫度及使用壽命

在功率半導(dǎo)體器件封裝中，散熱性能是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)的焊料合金由于其導(dǎo)熱性能有限，往往難以滿足高功率密度器件的散熱需求。而銀燒結(jié)技術(shù)憑借其高導(dǎo)熱率，可以有效地將器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，從而提高功率模塊的工作環(huán)境溫度及使用壽命。

適應(yīng)高溫SiC器件等寬禁帶半導(dǎo)體功率模塊

SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）等寬禁帶半導(dǎo)體材料具有高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，非常適合制作應(yīng)用于高頻、高壓、高溫等應(yīng)用場(chǎng)合的功率模塊。然而，這些材料對(duì)封裝的要求也非常高，尤其是對(duì)散熱和可靠性的要求更加嚴(yán)苛。銀燒結(jié)技術(shù)以其高導(dǎo)熱性和高可靠性，特別適合作為高溫SiC器件等寬禁帶半導(dǎo)體功率模塊的芯片互連界面材料。

簡(jiǎn)化模塊封裝結(jié)構(gòu)

采用銀燒結(jié)技術(shù)可以簡(jiǎn)化模塊封裝的結(jié)構(gòu)。例如，可以將銀帶燒結(jié)在芯片正面代替鋁線，或取消底板將基板直接燒結(jié)在散熱器上。這不僅可以降低封裝的復(fù)雜性，還可以提高封裝的可靠性和散熱性能。

三、銀燒結(jié)技術(shù)的工藝流程

銀燒結(jié)技術(shù)的工藝流程通常包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

納米銀粉制備

采用物理或化學(xué)方法制備高純度的納米銀粉，確保銀粉顆粒細(xì)小且均勻。這是制備高性能燒結(jié)銀材料的基礎(chǔ)。

燒結(jié)銀膏/膜制備

將納米銀粉與有機(jī)載體混合，通過攪拌、研磨等工藝制備成燒結(jié)銀膏或燒結(jié)銀膜。燒結(jié)銀膏或膜的質(zhì)量將直接影響到燒結(jié)后的連接性能。

基片預(yù)處理

對(duì)需要進(jìn)行燒結(jié)的基片（如半導(dǎo)體芯片、陶瓷基板等）進(jìn)行清洗和表面處理，去除表面污染物和氧化物，提高燒結(jié)質(zhì)量。

涂布或貼裝

將燒結(jié)銀膏或燒結(jié)銀膜涂布或貼裝在基片表面，形成所需的連接圖形或結(jié)構(gòu)。這一步需要精確控制涂布或貼裝的厚度和均勻性。

燒結(jié)過程

將涂布或貼裝好的基片放入燒結(jié)爐中，在真空或特定氣氛（如氮?dú)?、氫氣等）下，進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。燒結(jié)過程中，納米銀顆粒在表面自由能驅(qū)動(dòng)下發(fā)生固態(tài)擴(kuò)散，形成致密的燒結(jié)體。燒結(jié)溫度、時(shí)間、氣氛等參數(shù)需根據(jù)具體材料和工藝要求進(jìn)行優(yōu)化，以確保燒結(jié)質(zhì)量。

后續(xù)加工

燒結(jié)完成后，對(duì)燒結(jié)體進(jìn)行清洗、檢測(cè)和后續(xù)加工（如切割、打磨等），以滿足最終產(chǎn)品的要求。

四、銀燒結(jié)技術(shù)的挑戰(zhàn)與前景

盡管銀燒結(jié)技術(shù)在功率半導(dǎo)體器件封裝中具有諸多優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用過程中仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，銀燒結(jié)技術(shù)的工藝參數(shù)控制較為嚴(yán)格，需要精確控制燒結(jié)溫度、壓力和時(shí)間等參數(shù)以確保連接質(zhì)量。此外，銀的成本較高，可能會(huì)增加功率模塊的生產(chǎn)成本。

然而，隨著新能源汽車市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大和消費(fèi)者對(duì)汽車性能要求的不斷提高，功率半導(dǎo)體器件的市場(chǎng)需求也將持續(xù)增長(zhǎng)。銀燒結(jié)技術(shù)憑借其高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電以及高可靠性的優(yōu)勢(shì)，將在功率半導(dǎo)體器件封裝領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。同時(shí)，隨著銀納米顆粒制備技術(shù)及其有機(jī)物體系合成方面的快速發(fā)展，銀燒結(jié)技術(shù)的成本也有望逐漸降低，進(jìn)一步推動(dòng)其在功率半導(dǎo)體器件封裝領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

五、國內(nèi)外企業(yè)布局銀燒結(jié)技術(shù)的情況

近年來，國內(nèi)外眾多企業(yè)紛紛布局銀燒結(jié)技術(shù)。例如，英飛凌科技股份公司（Infineon Technologies AG）、德國大陸集團(tuán)（Continental AG）、丹佛斯集團(tuán)（Danfoss）等功率模塊制造商在新能源汽車模塊中均采用了燒結(jié)銀連接技術(shù)。隨著銀納米顆粒制備技術(shù)及其有機(jī)物體系合成方面的快速發(fā)展，賀利氏科技集團(tuán)（Heraeus Group）、阿爾法公司（MacDermid Alpha）、銦泰公司（Indium）等焊接材料制造商也逐漸推出了適用于工業(yè)小面積燒結(jié)的納米銀焊膏。

這些企業(yè)的積極布局不僅推動(dòng)了銀燒結(jié)技術(shù)的不斷發(fā)展，也促進(jìn)了功率半導(dǎo)體器件封裝技術(shù)的整體進(jìn)步。

六、結(jié)論

銀燒結(jié)技術(shù)作為一種新型的高可靠性連接技術(shù)，正在逐漸成為功率半導(dǎo)體器件封裝領(lǐng)域的主流選擇。憑借其高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電以及高可靠性的優(yōu)勢(shì)，銀燒結(jié)技術(shù)不僅可以提高功率模塊的工作環(huán)境溫度及使用壽命，還可以適應(yīng)高溫SiC器件等寬禁帶半導(dǎo)體功率模塊的需求，并簡(jiǎn)化模塊封裝結(jié)構(gòu)。盡管在實(shí)際應(yīng)用過程中仍面臨一些挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的逐漸降低，銀燒結(jié)技術(shù)將在功率半導(dǎo)體器件封裝領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。