银烧结技术助力功率半导体器件迈向高效率时代

随着新能源汽车、5G通信、高端装备制造等领域的蓬勃发展，功率半导体器件作为其核心组件，正面临着前所未有的挑战与机遇。在这些领域中，功率半导体器件不仅需要有更高的效率和可靠性，还要满足寿命长、制造步骤简单易行以及无铅监管的要求。这些都对焊接材料和工艺提出了更高、更全面的可靠性要求。而银烧结技术，作为一种新型的高可靠性连接技术，正在逐渐成为功率半导体器件封装领域的主流选择。

一、银烧结技术的原理与优势

银烧结技术，也被称为低温连接技术（Low temperature joining technique, LTJT），是一种新型无铅化芯片互连技术。它可在低温（<250℃）条件下获得耐高温（>700℃）和高导热率（~240W/m·K）的烧结银芯片连接界面。这种技术主要利用微米级及以下的银颗粒在300℃以下进行烧结，通过原子间的扩散从而实现良好连接。

银烧结技术具有诸多优势。首先，烧结连接层成分为银，具有出色的导电和导热性能。其次，由于银的熔点高达961℃，不会产生熔点小于300℃的软钎焊连接层中出现的典型疲劳效应，因此具有极高的可靠性。此外，烧结材料不含铅，符合环保要求。相对于焊料合金，银烧结技术还可以更有效地提高大功率硅基IGBT模块的工作环境温度及使用寿命。

二、银烧结技术在功率半导体器件封装中的应用

随着新一代IGBT芯片及功率密度的进一步提高，对功率电子模块及其封装工艺要求也越来越高。特别是芯片与基板的互连技术，很大程度上决定了功率模块的寿命和可靠性。传统钎焊料熔点低、导热性差，难以满足高功率器件封装及其高温应用要求。而银烧结技术凭借其高导热、高导电以及高可靠性的优势，正逐渐成为功率半导体器件封装的首选。

提高功率模块的工作环境温度及使用寿命

在功率半导体器件封装中，散热性能是至关重要的。传统的焊料合金由于其导热性能有限，往往难以满足高功率密度器件的散热需求。而银烧结技术凭借其高导热率，可以有效地将器件工作时产生的热量散发出去，从而提高功率模块的工作环境温度及使用寿命。

适应高温SiC器件等宽禁带半导体功率模块

SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）等宽禁带半导体材料具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率等特点，非常适合制作应用于高频、高压、高温等应用场合的功率模块。然而，这些材料对封装的要求也非常高，尤其是对散热和可靠性的要求更加严苛。银烧结技术以其高导热性和高可靠性，特别适合作为高温SiC器件等宽禁带半导体功率模块的芯片互连界面材料。

简化模块封装结构

采用银烧结技术可以简化模块封装的结构。例如，可以将银带烧结在芯片正面代替铝线，或取消底板将基板直接烧结在散热器上。这不仅可以降低封装的复杂性，还可以提高封装的可靠性和散热性能。

三、银烧结技术的工艺流程

银烧结技术的工艺流程通常包括以下几个关键步骤：

纳米银粉制备

采用物理或化学方法制备高纯度的纳米银粉，确保银粉颗粒细小且均匀。这是制备高性能烧结银材料的基础。

烧结银膏/膜制备

将纳米银粉与有机载体混合，通过搅拌、研磨等工艺制备成烧结银膏或烧结银膜。烧结银膏或膜的质量将直接影响到烧结后的连接性能。

基片预处理

对需要进行烧结的基片（如半导体芯片、陶瓷基板等）进行清洗和表面处理，去除表面污染物和氧化物，提高烧结质量。

涂布或贴装

将烧结银膏或烧结银膜涂布或贴装在基片表面，形成所需的连接图形或结构。这一步需要精确控制涂布或贴装的厚度和均匀性。

烧结过程

将涂布或贴装好的基片放入烧结炉中，在真空或特定气氛（如氮气、氢气等）下，进行高温烧结。烧结过程中，纳米银颗粒在表面自由能驱动下发生固态扩散，形成致密的烧结体。烧结温度、时间、气氛等参数需根据具体材料和工艺要求进行优化，以确保烧结质量。

后续加工

烧结完成后，对烧结体进行清洗、检测和后续加工（如切割、打磨等），以满足最终产品的要求。

四、银烧结技术的挑战与前景

尽管银烧结技术在功率半导体器件封装中具有诸多优势，但在实际应用过程中仍面临一些挑战。例如，银烧结技术的工艺参数控制较为严格，需要精确控制烧结温度、压力和时间等参数以确保连接质量。此外，银的成本较高，可能会增加功率模块的生产成本。

然而，随着新能源汽车市场的不断扩大和消费者对汽车性能要求的不断提高，功率半导体器件的市场需求也将持续增长。银烧结技术凭借其高导热、高导电以及高可靠性的优势，将在功率半导体器件封装领域发挥越来越重要的作用。同时，随着银纳米颗粒制备技术及其有机物体系合成方面的快速发展，银烧结技术的成本也有望逐渐降低，进一步推动其在功率半导体器件封装领域的广泛应用。

五、国内外企业布局银烧结技术的情况

近年来，国内外众多企业纷纷布局银烧结技术。例如，英飞凌科技股份公司（Infineon Technologies AG）、德国大陆集团（Continental AG）、丹佛斯集团（Danfoss）等功率模块制造商在新能源汽车模块中均采用了烧结银连接技术。随着银纳米颗粒制备技术及其有机物体系合成方面的快速发展，贺利氏科技集团（Heraeus Group）、阿尔法公司（MacDermid Alpha）、铟泰公司（Indium）等焊接材料制造商也逐渐推出了适用于工业小面积烧结的纳米银焊膏。

这些企业的积极布局不仅推动了银烧结技术的不断发展，也促进了功率半导体器件封装技术的整体进步。

六、结论

银烧结技术作为一种新型的高可靠性连接技术，正在逐渐成为功率半导体器件封装领域的主流选择。凭借其高导热、高导电以及高可靠性的优势，银烧结技术不仅可以提高功率模块的工作环境温度及使用寿命，还可以适应高温SiC器件等宽禁带半导体功率模块的需求，并简化模块封装结构。尽管在实际应用过程中仍面临一些挑战，但随着技术的不断进步和成本的逐渐降低，银烧结技术将在功率半导体器件封装领域发挥越来越重要的作用。