燒結(jié)銀技術(shù)火爆的前世今生及未來

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。此外隨著第三代半導(dǎo)體器件（如碳化硅和氮化鎵等）的快速發(fā)展，對(duì)封裝的性能方面提出了更為嚴(yán)苛的要求。銀燒結(jié)技術(shù)是一種新型的高可靠性連接技術(shù)，在功率模塊封裝中的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。

一、銀燒結(jié)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

1.什么是銀燒結(jié)技術(shù)

20世紀(jì)80年代末期，Scheuermann等研究了一種低溫?zé)Y(jié)技術(shù)，即通過銀燒結(jié)銀顆粒實(shí)現(xiàn)功率半導(dǎo)體器件與基板的互連方法。

銀燒結(jié)技術(shù)也被成為低溫連接技術(shù)（Low temperature joining technique, LTJT），作為一種新型無鉛化芯片互連技術(shù)，可在低溫（＜250℃）條件下獲得耐高溫（＞700℃）和高導(dǎo)熱率（~240 W/m·K）的燒結(jié)銀芯片連接界面，具有以下幾方面優(yōu)勢(shì)：

①燒結(jié)連接層成分為銀，具有優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能；
②由于銀的熔點(diǎn)高達(dá)（961℃），將不會(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)，具有極高的可靠性；
③所用燒結(jié)材料具有和傳統(tǒng)軟釬焊料相近的燒結(jié)溫度；
④燒結(jié)材料不含鉛，屬于環(huán)境友好型材料。

相對(duì)于焊料合金，銀燒結(jié)技術(shù)可以更有效的提高大功率硅基IGBT模塊的工作環(huán)境溫度及使用壽命。目前，銀燒結(jié)技術(shù)已受到高溫功率電子領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，它特別適合作為高溫SiC器件等寬禁帶半導(dǎo)體功率模塊的芯片互連界面材料。

2.銀燒結(jié)技術(shù)原理

銀燒結(jié)技術(shù)是一種對(duì)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)良好連接的技術(shù)。所用的燒結(jié)材料的基本成分是銀顆粒，根據(jù)是否施加壓力，燒結(jié)材料一般為無壓燒結(jié)銀AS9375和有壓燒結(jié)銀AS9385對(duì)應(yīng)的工藝也不同：

有壓燒結(jié)銀工藝流程：燒結(jié)銀印刷——預(yù)熱烘烤——芯片貼片——加壓燒結(jié)；

以納米銀漿為例，在燒結(jié)過程中，銀顆粒通過接觸形成燒結(jié)頸，銀原子通過擴(kuò)散遷移到燒結(jié)頸區(qū)域，從而燒結(jié)頸不斷長大，相鄰銀顆粒之間的距離逐漸縮小，形成連續(xù)的孔隙網(wǎng)絡(luò)，隨著燒結(jié)過程的進(jìn)行，孔洞逐漸變小，燒結(jié)密度和強(qiáng)度顯著增加，在燒結(jié)最后階段，多數(shù)孔洞被完全分割，小孔洞逐漸消失，大空洞逐漸變小，直到達(dá)到較終的致密度。

燒結(jié)得到的連接層為多孔性結(jié)構(gòu)，孔洞尺寸在微米及亞微米級(jí)別，連接層具有良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，熱匹配性能良好。

二、銀燒結(jié)技術(shù)在功率模塊封裝的應(yīng)用

作為高可靠性芯片連接技術(shù)，銀燒結(jié)技術(shù)得到了功率模塊廠商的廣泛重視，一些功率半導(dǎo)體頭部公司相繼推出類似技術(shù)，已在功率模塊的封裝中取得了應(yīng)用。

英飛凌與開姆尼茨工業(yè)大學(xué)（Chemnitz University of Technology）等高校合作，采用銀燒結(jié)技術(shù)的功率模塊進(jìn)行了高溫循環(huán)測(cè)試。在Easypack功率模塊中分別采用了單面銀燒結(jié)技術(shù)和雙面銀燒結(jié)技術(shù)，測(cè)試結(jié)果表明，相對(duì)傳統(tǒng)軟釬焊工藝模塊，采用單面銀燒結(jié)技術(shù)的模塊壽命提高5~10倍，采用雙面銀燒結(jié)技術(shù)的模塊壽命提高10倍以上。2012年，英飛凌推出.XT封裝連接技術(shù)（英飛凌高可靠封裝與互連技術(shù)的統(tǒng)稱），采用了擴(kuò)散焊接工藝，在封裝中實(shí)現(xiàn)了從芯片到散熱器的可靠熱連接。

賽米控推出的功率模塊技術(shù)SKiNTER，利用精細(xì)銀粉，在高壓及大約250°C溫度條件下燒結(jié)為低氣孔率的銀層。其功率循環(huán)能力提升二至三倍，而且高運(yùn)行溫度下的燒結(jié)組件長期可靠。與燒結(jié)模塊相比，焊接模塊由于散熱性差，很早就會(huì)因焊接老化引起芯片溫度上升。芯片與DCB之間為燒結(jié)結(jié)合的模塊使用壽命更長。

2015年，三菱電機(jī)采用銀燒結(jié)技術(shù)制作出功率模塊，循環(huán)壽命是軟釬焊料（Sn-Ag-Cu-Sb）的5倍左右，并且三菱電機(jī)自主開發(fā)了加壓燒結(jié)的專用設(shè)備。

如今，銀燒結(jié)技術(shù)已經(jīng)成為寬禁帶半導(dǎo)體功率模塊必不可少的技術(shù)之一，隨著寬禁帶半導(dǎo)體材料（SiC、GaN）的發(fā)展，銀燒結(jié)技術(shù)將擁有良好的應(yīng)用前景。

三、銀燒結(jié)技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

銀燒結(jié)技術(shù)不僅在功率半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，還可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如汽車電子、航空航天、LED照明等領(lǐng)域。

汽車電子：隨著新能源汽車的發(fā)展，電動(dòng)汽車對(duì)高效率、高可靠性的電力電子器件的需求不斷增加。銀燒結(jié)技術(shù)可以提高功率器件的穩(wěn)定性和可靠性，滿足電動(dòng)汽車對(duì)電力電子器件的嚴(yán)苛要求。

航空航天：航空航天領(lǐng)域?qū)﹄娮悠骷墓ぷ鳒囟取⒖煽啃院湍途眯杂袠O高的要求。采用銀

燒結(jié)技術(shù)的電子器件可以在極端溫度環(huán)境下穩(wěn)定工作，具有更長的使用壽命，因此在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

LED照明：LED照明設(shè)備對(duì)導(dǎo)熱性能有很高的要求，因?yàn)楦咝У膶?dǎo)熱可以降低LED芯片的工作溫度，從而延長其使用壽命。銀燒結(jié)技術(shù)具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，可以有效提高LED照明設(shè)備的散熱效果和使用壽命。

微波器件：在高頻微波器件中，由于銀燒結(jié)技術(shù)具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，因此可以提高微波器件的工作效率和可靠性。

四、銀燒結(jié)技術(shù)的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)

盡管銀燒結(jié)技術(shù)在功率電子領(lǐng)域及其他應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)，但仍面臨一些挑戰(zhàn)和問題，需要不斷研究和改進(jìn)。

設(shè)備成本：銀燒結(jié)技術(shù)所需的設(shè)備和材料成本較高，這對(duì)于大規(guī)模推廣和應(yīng)用產(chǎn)生一定阻礙。未來需要在降低成本和提高生產(chǎn)效率方面取得突破。

工藝控制：銀燒結(jié)工藝參數(shù)對(duì)互連層的性能有很大影響，因此對(duì)工藝參數(shù)的控制非常關(guān)鍵。進(jìn)一步研究和優(yōu)化工藝參數(shù)，提高銀燒結(jié)連接層的性能和可靠性是未來發(fā)展的重點(diǎn)。

環(huán)境穩(wěn)定性：銀燒結(jié)連接層可能受到外部環(huán)境因素的影響，如濕度、氧化等，影響其長期穩(wěn)定性。因此，未來需要研究改進(jìn)燒結(jié)材料的環(huán)境穩(wěn)定性，以適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用需求。