隨著(zhù)新能源汽車(chē)、5G通信、高端裝備制造等的蓬勃發(fā)展，這些領(lǐng)域對功率器件的要求越來(lái)越高——既要有更高的效率和可靠性，又要壽命更長(cháng)，制造步驟盡可能簡(jiǎn)單易行，還要滿(mǎn)足無(wú)鉛監管的要求。這些都對焊接材料和工藝提出了更高、更全面的可靠性要求。

實(shí)現上述要求“非它不可”材料和工藝已經(jīng)在路上，它就是燒結銀焊料和銀燒結互連技術(shù)，特別是它將為大功率器件帶來(lái)受用不盡的好處。

從IGBT到硅芯片

隨著(zhù)電子技術(shù)向高功率、高密度和集成化的方向發(fā)展，對大功率器件封裝的焊接材料提出了更高的可靠性要求。

先說(shuō)IGBT，芯片技術(shù)的進(jìn)步令其更高工作結溫和功率密度不斷攀升，其作為新一代功率半導體器件已廣泛應用于高鐵、新能源、電動(dòng)汽車(chē)以及智能電網(wǎng)等各個(gè)領(lǐng)域。而傳統IGBT模塊采用Sn-Pb（錫鉛）、Sn-Pb-Ag（錫鉛銀）等合金焊料焊接，其熔點(diǎn)低、導熱性差，且對人體和環(huán)境有害，難以滿(mǎn)足高功率電子器件封裝及其高溫應用要求。

再說(shuō)碳化硅（SiC），作為第三代半導體的代表，碳化硅芯片可在300℃以上穩定工作，模塊溫度可達到175-200℃。其更強的能量轉換效率、更高功率密度、更高耐壓使之逐漸進(jìn)入新能源汽車(chē)等應用場(chǎng)景，已成為功能多、體積小、質(zhì)量輕、功耗低、高效率和高可靠性方案的代名詞。而汽車(chē)行業(yè)向純電時(shí)代的轉型也成為了功率半導體革命提供了重要驅動(dòng)力。

功率半導體器件已成為基礎器件

顯而易見(jiàn)，伴隨上述趨勢，將功率器件封裝成模塊已經(jīng)是普遍采用的做法，而功率模塊能否可靠穩定地工作，將直接影響整個(gè)電力轉換裝置的可靠運行，所以必須保證和提高功率模塊的可靠性，而功率模塊的輕量化及散熱封裝已成為重要的技術(shù)需求。

不管是IGBT還是碳化硅器件，都要求功率模塊在瞬態(tài)和穩態(tài)情況下有良好的導熱、導電性能和可靠性。而功率模塊的體積縮小的趨勢會(huì )引起模塊和芯片電流、接線(xiàn)端電壓及輸入功率增加，從而增加熱損耗，產(chǎn)生溫度漂移等情況，嚴重影響功率器件的可靠性，并加速器件老化。

傳統功率模塊中，芯片通過(guò)軟釬焊接到基板上，連接界面一般為兩相或三相合金結構，在溫度變化過(guò)程中，通過(guò)形成金屬化合物層使芯片、軟釬焊料合金及基板之間形成互連。目前，電子封裝中常用的軟釬焊料為含鉛釬料或無(wú)鉛釬料，其熔點(diǎn)基本在300℃以下，采用軟釬焊工藝的功率模塊結溫一般低于150℃，當應用于溫度為175-200℃及以上時(shí)，連接層性能會(huì )急劇退化，影響模塊的可靠性。另外，根據RoHS指令要求，由于鉛具有毒性，會(huì )對環(huán)境和人體健康產(chǎn)生危害，電子產(chǎn)品中禁止已使用含鉛釬料。

因此，開(kāi)發(fā)可以用于高溫、高功率封裝的具有高熱導率和良好綜合性能的新型熱界面互連材料迫在眉睫。

封裝可靠性怎一個(gè)“熱”字了得

目前，IGBT器件的發(fā)展對熱管理提出了更高的要求，能夠滿(mǎn)足碳化硅大電流密度、高工作溫度和散熱性能好的綠色焊料更是鳳毛麟角。其挑戰主要集中在以下兩個(gè)方面，但都與“熱”有關(guān)。

首先是熱沖擊會(huì )加劇器件老化速率。天津工業(yè)大學(xué)教授梅云輝認為：“對功率模塊來(lái)說(shuō)，抗溫度沖擊以及抗功率循環(huán)老化能力是評價(jià)功率模塊壽命的重要指標，特別是碳化硅等第三代半導體器件的功率密度和工作頻率不斷提升，熱沖擊將進(jìn)一步加劇器件老化速率。”

他指出，典型IGBT模塊包括IGBT和二級管芯片，幾個(gè)連接部位包括芯片與基板的連接、基板與底板之間的補充連接，都需要建立一個(gè)有效的散熱通道。在兩個(gè)連接中，關(guān)注比較多的是芯片連接，它對芯片散熱至關(guān)重要。而基板和底板的連接同樣重要，因為大面積基板與底板的連接更容易發(fā)生失效。

大面積基板與底板封裝互連更易失效

他解釋說(shuō)，芯片與基板是采用回流焊工藝通過(guò)熔化焊點(diǎn)實(shí)現的，而在基板與底板二次連接時(shí)需要降低回流焊溫度，以防止芯片與基板的次焊點(diǎn)連接發(fā)生焊料重熔。焊料重熔會(huì )導致焊料變得更脆、易失效，同時(shí)還會(huì )出現芯片移位等問(wèn)題。因此，通常會(huì )選取熔點(diǎn)更低的焊料，比較常用的是SnAg3.0Cu0.5焊料。

而且，不僅基板連接焊料熔點(diǎn)低，而且面積大，因此在長(cháng)期高溫且伴有耦合震動(dòng)的工況（如汽車(chē)等復雜工況）下工作，極易出現高溫疲勞蠕變，導致基板與底板的大面積連接發(fā)生失效。

在一些典型IGBT模塊基板與底板封裝中，大面積底板上有2塊半橋型DBC板，或有6塊全橋型6單元形式的DBC板。隨著(zhù)老化時(shí)間延長(cháng)，基板與底板之間大面積互連快速出現失效。分層圖顯示，失效由邊緣不斷向中心擴展，極易導致封裝熱阻快速增加，極大地影響模塊的整體散熱效果，進(jìn)一步加速模塊老化失效，并最終使焊料分層斷裂，嚴重制約模塊在高溫、復雜工況、震動(dòng)等應用中的使用。

大面積基板與底板封裝互連失效情況

其次是集成功率器件的尺寸問(wèn)題。人們通常認為器件越小越好，在集成功率器件時(shí)，片芯體積主要取決于額定功率，所以減小片芯體積存在一些限制。如果要一味降低尺寸就可能導致可靠性下降，主要問(wèn)題是半導體結的溫度。

要充分發(fā)揮功率器件的性能，就意味著(zhù)要確保器件在安全運行范圍內工作，所以結溫一般保持在175℃以下，滿(mǎn)足這一點(diǎn)的關(guān)鍵在于器件工作時(shí)結的熱量如何散掉。

表面安裝器件實(shí)體模型（上）和熱量耗散模型（下）

很明顯，片芯體積越大，散熱表面積就越大。事實(shí)上，推動(dòng)數字器件集成制造商的市場(chǎng)力量也在影響模擬和功率半導體領(lǐng)域，工程師們想要更小的片芯，因為這意味著(zhù)性能更高，成本更低，但片芯體積會(huì )直接影響結熱量的散熱速度。

UnitedSiC工程副總裁Anup Bhala認為：“在電子產(chǎn)品中，功率器件的體積至關(guān)重要。數十年來(lái)，行業(yè)發(fā)展一直在遵循摩爾定律，它預測晶體管成本會(huì )年年下降。現在，已有人質(zhì)疑摩爾定律的準確性，但是它對創(chuàng )造更小、更快、更便宜產(chǎn)品的推動(dòng)卻不會(huì )在短期內終結。”

他指出，對于功率器件而言，摩爾定律并非金科玉律。確實(shí)是器件越小越好，但是功率半導體在有用的同時(shí)能做到多小存在一些限制。這是因為其承載電流的能力與物理面積息息相關(guān)。所有半導體都有一個(gè)共同點(diǎn)，即需要將結處生成的熱量散發(fā)出去。這也是一個(gè)與物理尺寸關(guān)系密切的性能表征。

隨著(zhù)邏輯晶體管面積不斷減小至亞微米級尺寸，能夠以更低的總成本實(shí)現更快運行并降低損耗。但事實(shí)上，晶體管的進(jìn)一步集成將面臨熱密度方面的挑戰。管理片芯上生成的高溫越來(lái)越重要，尤其是在將數十萬(wàn)個(gè)晶體管集成到一個(gè)片芯上時(shí)。很明顯，在這種密度下，即使微小的損耗也會(huì )很快出現可能造成損壞的高溫。

對于功率器件，縮小面積能帶來(lái)同樣的好處，但是，由于涉及的功率電平高得多，熱狀況會(huì )進(jìn)一步降低縮小面積的可能性。這里的關(guān)鍵指標是從結到殼的熱阻，而這一指標的重要參數之一是結和片芯的物理體積。除此以外，片芯連接到殼的方式是另一個(gè)僅次于體積的相關(guān)熱阻參數。更進(jìn)一步講，碳化硅芯片可在300℃以上穩定工作，預計模塊結溫將達到175-200℃。

納米銀焊料應運而生

熱量經(jīng)過(guò)結和片芯后，遇到的下一個(gè)熱屏障是片芯與封裝的連接點(diǎn)。傳統做法是將接觸點(diǎn)焊接起來(lái)，這個(gè)方法很有效，既易于采用，又比較便宜可靠。不過(guò)，連接處的導熱系數很關(guān)鍵，既要考慮材料的量和厚度，還要考慮不同材料的導熱系數。由于熱量會(huì )朝所有方向散發(fā)，遇到的熱阻不同，散熱速度就會(huì )有快有慢。

梅云輝表示，雖然有很多種方法改善上述窘境，如采用更好的無(wú)鉛焊料等，但改善有限。一個(gè)替代方案是使用能夠燒結的焊料取代鉛合金焊接方法。這種焊料的導熱系數往往高得多，而且可以使用更薄的焊料。

銀是很好的材料，銀燒結層的導熱系數可以達到1.4-2W/cm/℃左右，而鉛焊料的導熱系數僅為0.25W/cm/℃。

基于納米銀焊料技術(shù)的低溫成形（區別于焊接）、高溫使用非常有效。因為低溫成形并不是把銀熔化，而是通過(guò)固相燒結方式形成連接。形成這樣的連接后，使其熔化的熔點(diǎn)就是銀的熔點(diǎn)，銀的熔點(diǎn)是961℃，這樣二次焊點(diǎn)的選擇余地就大了很多。

也就是說(shuō)，如果將一次焊原來(lái)選擇的300℃熔點(diǎn)的焊料變成900℃以上熔點(diǎn)的焊料，二次焊就可以選擇更高溫度的焊料，大幅提升互連的耐溫性能和高溫可靠性。此外，也可以直接選擇低溫燒結納米銀焊料做二次焊焊接，且可實(shí)現一次成形。

納米銀焊料的技術(shù)特點(diǎn)

納米銀的前世今生

近年來(lái)，為了解決高溫大功率器件所面臨的問(wèn)題，納米銀低溫燒結技術(shù)受到了越來(lái)越多研究者的關(guān)注。

其實(shí)，早在上世紀90年代初，研究人員就通過(guò)微米級銀粉顆粒燒結——低溫燒結技術(shù)實(shí)現了硅芯片和基板的互連。在制作銀粉過(guò)程中，通常會(huì )加入有機添加劑，以避免微米級銀粉顆粒出現聚合。當燒結溫度超過(guò)210℃時(shí)，在氧氣環(huán)境中銀粉的有機添加劑因高溫分解而揮發(fā)，最后變成純銀連接層，而不會(huì )產(chǎn)生雜質(zhì)相。

整個(gè)燒結過(guò)程就是銀粉顆粒致密化的過(guò)程，可以形成良好的機械連接層。雖然銀的熔點(diǎn)高達961℃，但燒結溫度遠低于該溫度，也不會(huì )產(chǎn)生液相。另外，要達到230-250℃的燒結溫度，還要用輔助加壓設備提供約40MPa的壓力，以加快銀焊料燒結。這種方法可以得到更好的熱電及機械性能，接點(diǎn)空隙率低，熱疲勞壽命也超出了傳統焊料10倍以上。但是，人們發(fā)現輔助壓力過(guò)大會(huì )在一定程度上損傷芯片，且經(jīng)濟投入較大，嚴重限制了其在芯片封裝領(lǐng)域的應用。

之后的研究發(fā)現，由于納米尺寸效應，納米銀材料的熔點(diǎn)和燒結溫度均低于微米銀，連接溫度可以低于200℃，輔助壓力也可以降至1-5MPa，即使這樣，連接層仍能保持較高的耐熱性和很好的導熱、導電能力。燒結過(guò)程的驅動(dòng)力主要來(lái)自體系表面能和體系缺陷能，顆粒尺寸越小，其比表面積越大，表面能也越高，驅動(dòng)力就越大。外界對系統施加的壓力、系統內的化學(xué)勢差以及接觸顆粒間的應力也是銀原子擴散遷移的驅動(dòng)力。

這種方法得到的連接層為多孔結構，空洞尺寸在微米及納米級別。在連接層孔隙率為10%的情況下，其導熱及導電率可達純銀的90%，遠高于普通軟釬焊料。

銀燒結互連示意圖

在功率模塊封裝方面，為了獲得更高的可靠性，一些功率半導體頭部公司爭相推出類(lèi)似技術(shù)。

·2006年英飛凌在Easypack功率模塊中分別采用了單面銀燒結技術(shù)和雙面銀燒結技術(shù)。高溫循環(huán)試驗發(fā)現，相比傳統軟釬焊工藝，采用單面銀燒結技術(shù)的模塊壽命提高了5-10倍；雙面銀燒結模塊壽命超過(guò)了10倍。

·2007年，賽米控推出采用精細銀粉，在高壓及大約250℃條件下燒結為低氣孔率銀層的SKiNTER功率模塊。其功率循環(huán)能力提升了2-3倍，燒結層厚度減少約70%，熱導率提升3倍左右。測試表明，由于散熱性差導致的熱應力，標準錫銀焊接在125℃就會(huì )老化；而芯片與DCB之間燒結的模塊使用壽命更長(cháng)。

焊接功率模塊與燒結功率模塊最終的失效機理

·2012年，英飛凌推出.XT互連技術(shù)，芯片和基板之間采用銀燒結工藝連接。循環(huán)試驗表明，無(wú)底板功率模塊壽命提升達2個(gè)數量級，有底板模塊壽命提升超過(guò)10倍。英飛凌也是在芯片與DCB之間用了銀燒結技術(shù)（約20μm）來(lái)提升可靠性。

大功率IGBT模塊中的.XT技術(shù)

·2015年，三菱電機采用銀燒結技術(shù)制作出功率模塊，循環(huán)壽命是軟釬焊料的5倍左右。

為什么銀燒結技術(shù)用的還不多？

銀燒結技術(shù)具有方面的成本效益，包括高吞吐量、低資本成本、高良率和低人工成本等。時(shí)至今日，已經(jīng)有不少廠(chǎng)商提供采用銀燒結技術(shù)制造的功率模塊，為此提供納米銀焊料及相關(guān)材料的廠(chǎng)商也有一些。但事實(shí)上，設計領(lǐng)域的許多工程師并不了解半導體器件設計和制造的細節，特別是銀燒結技術(shù)。

銀燒結技術(shù)的成本效益

功率半導體領(lǐng)域，尤其是在基于碳化硅等寬帶隙材料的器件中，采用銀燒結會(huì )可以為最終應用帶來(lái)實(shí)際價(jià)值。所以，該技術(shù)在成本方面利好汽車(chē)領(lǐng)域，但對其他成本管控更嚴的方案，還是希望退而求其次，使用高溫低成本無(wú)鉛焊料、高溫焊點(diǎn)、有鉛焊料等，從而在保證高溫可靠性的前提下降低成本。

雖然目前大部分功率半導體還沒(méi)有采用銀燒結技術(shù)，但是專(zhuān)家預計，隨著(zhù)時(shí)間推移，這種情況會(huì )有所改觀(guān)。正是由于為組件級和系統集成方面帶來(lái)的優(yōu)勢，采用銀燒結技術(shù)將可能成為各種大功率器件封裝的標配。