功率器件中银烧结技术的应用解析：以SiC与IGBT为例

摘要

随着电力电子技术向高频、高效、高功率密度方向发展，碳化硅（SiC）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等功率器件在众多领域得到广泛应用。在这些功率器件的封装与连接技术中，银烧结技术凭借其独特的优势逐渐崭露头角。本文深入探讨了功率器件采用银烧结技术的原因，从银烧结技术的原理出发，分析了其在热性能、电性能、机械性能以及可靠性等方面的优势，并结合SiC和IGBT功率器件的特点，阐述了银烧结技术如何满足其高性能应用需求，同时对银烧结技术在功率器件领域的应用前景进行了展望。

关键词

功率器件；银烧结技术；SiC；IGBT；性能优势

一、引言

在现代工业和电子设备中，功率器件作为能量转换与控制的核心元件，其性能直接影响到整个系统的效率、可靠性和稳定性。SiC和IGBT作为两种具有代表性的功率器件，具有高频、高压、大电流等优异特性，广泛应用于电动汽车、智能电网、航空航天等领域。然而，随着功率器件工作频率和功率密度的不断提高，传统的封装与连接技术面临着诸多挑战，如热应力导致的失效、接触电阻过大引起的发热问题等。银烧结技术作为一种新兴的连接技术，为解决这些问题提供了有效的途径，在功率器件领域受到了广泛关注。

二、银烧结技术原理

银烧结技术是利用银纳米颗粒或微米颗粒在一定的温度和压力条件下，通过颗粒间的扩散、融合和致密化过程，形成高导电、高导热且具有良好机械强度的连接层。在烧结过程中，银颗粒表面的有机包覆层在高温下分解，颗粒之间的原子开始相互扩散，随着温度的升高和时间的延长，颗粒逐渐融合，孔隙减少，最终形成连续的银连接层。这一过程不涉及铅、锡等传统焊料中的金属间化合物形成，避免了金属间化合物脆性大、导电导热性能差等问题。

三、银烧结技术在功率器件中的性能优势

3.1 卓越的热性能

3.1.1 高热导率

功率器件在工作过程中会产生大量的热量，如果不能及时有效地散发出去，会导致器件温度升高，进而影响其性能和可靠性。银具有极高的热导率（约429 W/(m·K)），采用银烧结技术形成的连接层能够有效地将器件产生的热量传导出去，降低器件的工作温度。与传统的锡基焊料（热导率一般在50 - 70 W/(m·K)左右）相比，银烧结连接层的热阻显著降低，大大提高了功率器件的散热效率。例如，在SiC功率模块中，采用银烧结技术连接芯片和基板，可以使芯片的结温降低10 - 20℃，从而提高了模块的功率输出能力和可靠性。

3.1.2 良好的热匹配性

SiC和IGBT等功率器件与封装基板之间的热膨胀系数存在差异，在工作过程中由于温度变化会产生热应力。银烧结连接层具有较好的柔韧性和延展性，能够在一定程度上缓解热应力，减少因热应力引起的开裂和失效问题。同时，通过调整银烧结材料的成分和工艺参数，可以使其热膨胀系数与功率器件和基板更好地匹配，进一步提高功率器件的热可靠性。

3.2 优异的电性能

3.2.1 低接触电阻

接触电阻是影响功率器件性能的重要因素之一，过高的接触电阻会导致器件发热增加、效率降低。银烧结连接层具有极低的电阻率（约1.59×10⁻⁸ Ω·m），能够显著降低芯片与基板之间的接触电阻。与传统的锡基焊料连接相比，银烧结连接层的接触电阻可以降低一个数量级以上，从而减少了功率损耗，提高了功率器件的转换效率。在IGBT模块中，采用银烧结技术可以降低模块的导通损耗，提高模块的整体性能。

3.2.2 稳定的电学性能

银烧结连接层在高温、高湿等恶劣环境下具有良好的电学稳定性。由于其连接机制主要是银原子之间的扩散和融合，不存在传统焊料中金属间化合物的生长和变化问题，因此不会出现因金属间化合物性能退化而导致的接触电阻增大、电迁移等电学性能下降的现象。这使得采用银烧结技术的功率器件能够在更宽的温度范围和更恶劣的环境条件下稳定工作。

3.3 良好的机械性能

3.3.1 高剪切强度

银烧结连接层具有较高的剪切强度，能够承受功率器件在工作过程中产生的机械应力。在电动汽车等应用中，功率器件会受到频繁的振动和冲击，银烧结连接层可以保证芯片与基板之间的可靠连接，避免因连接失效而导致的器件损坏。实验表明，银烧结连接层的剪切强度可以达到30 - 50 MPa以上，远高于传统的锡基焊料连接层。

3.3.2 抗疲劳性能

功率器件在工作过程中会经历多次热循环，连接层会受到交变应力的作用，容易产生疲劳损伤。银烧结连接层具有良好的抗疲劳性能，能够在长期的热循环过程中保持稳定的机械性能。这是由于银烧结连接层的微观结构较为均匀，没有明显的缺陷和应力集中点，能够有效地分散应力，减少疲劳裂纹的产生和扩展。

3.4 高可靠性

3.4.1 长期稳定性

银烧结技术形成的连接层在长期使用过程中具有良好的稳定性，不会出现像传统焊料连接层那样的老化、蠕变等问题。其化学性质稳定，不易与周围环境中的物质发生反应，能够保证功率器件在长期运行过程中的性能和可靠性。这对于一些对可靠性要求极高的应用领域，如航空航天、核能等，具有重要的意义。

3.4.2 环保性

与传统的含铅焊料相比，银烧结技术是一种环保的连接技术。铅是一种有毒有害物质，对环境和人体健康会造成严重危害。银烧结材料不含有铅等有害物质，符合环保要求，有利于推动功率器件产业的可持续发展。

四、银烧结技术满足SiC和IGBT功率器件高性能应用需求

4.1 SiC功率器件的需求

SiC功率器件具有更高的击穿电场、更高的热导率和更高的电子迁移率等优点，能够在高温、高压、高频等恶劣条件下工作。然而，SiC功率器件的高性能也对其封装和连接技术提出了更高的要求。银烧结技术的高热导率、低接触电阻和良好的热匹配性等特点，能够满足SiC功率器件对散热和电性能的严格要求。例如，在SiC MOSFET中，采用银烧结技术连接芯片和源极、漏极引线，可以降低芯片的结温，提高器件的开关速度和效率，同时减少因热应力引起的失效问题。

4.2 IGBT功率器件的需求

IGBT功率器件在大功率应用中具有重要的作用，如电动汽车的电机控制器、风力发电系统的变流器等。IGBT模块在工作过程中会产生大量的热量，需要高效的散热解决方案。银烧结技术的高热导率和低接触电阻能够有效地提高IGBT模块的散热效率，降低模块的温升，从而提高模块的功率输出能力和可靠性。此外，IGBT模块在工作过程中会受到频繁的开关操作和机械振动，银烧结技术的高剪切强度和抗疲劳性能能够保证模块的长期稳定运行。

五、银烧结技术在功率器件领域的应用现状与挑战

5.1 应用现状

目前，银烧结技术已经在一些高端功率器件产品中得到了应用。例如，部分电动汽车制造商已经开始在其电机控制器中采用银烧结技术的IGBT模块，以提高模块的性能和可靠性。一些功率器件制造商也在积极研发和推广银烧结技术的SiC功率模块，以满足市场对高性能功率器件的需求。

5.2 面临的挑战

尽管银烧结技术具有诸多优势，但在实际应用中仍面临一些挑战。首先，银烧结工艺需要精确控制温度、压力和时间等参数，对设备的要求较高，增加了生产成本。其次，银的价格相对较高，导致银烧结材料的成本也较高，限制了其在大规模生产中的应用。此外，银烧结连接层在长期使用过程中可能会出现银迁移现象，影响连接层的电学性能和可靠性，需要进一步研究和解决。

六、银烧结技术在功率器件领域的应用前景展望

随着技术的不断进步和成本的逐渐降低，银烧结技术在功率器件领域的应用前景十分广阔。未来，可以通过优化银烧结工艺，降低生产成本，提高生产效率。例如，开发新型的银烧结设备和工艺，实现快速、低温烧结，减少能源消耗和生产时间。同时，可以研究银烧结材料与其他材料的复合技术，降低银的使用量，降低成本。此外，加强对银迁移现象的研究，开发有效的抑制措施，提高银烧结连接层的长期可靠性。

在SiC和IGBT等功率器件向更高性能、更高功率密度发展的趋势下，银烧结技术将发挥越来越重要的作用。预计在未来几年内，银烧结技术将在更多的功率器件产品中得到应用，推动功率器件产业向高频、高效、高可靠性方向发展。

七、结论

银烧结技术凭借其卓越的热性能、优异的电性能、良好的机械性能和高可靠性等优势，在SiC和IGBT等功率器件中具有广阔的应用前景。它能够满足功率器件在高温、高压、高频等恶劣工作条件下的性能需求，提高功率器件的散热效率、转换效率和可靠性。尽管目前银烧结技术在应用中还面临一些挑战，但随着技术的不断发展和创新，这些问题将逐步得到解决。未来，银烧结技术有望成为功率器件封装与连接的主流技术之一，为电力电子技术的发展提供有力支持。