新能源汽车，5G随着通信和高端设备制造的蓬勃发展，这些领域对功率设备的要求越来越高——不仅要有更高的效率和可靠性，还要有更长的使用寿命。制造步骤尽可能简单易行，满足无铅监管要求。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。 实现上述要求必不可少的材料和工艺已经在路上，即无压低温烧结银焊料和银烧结互连技术，特别是会给大功率设备带来无穷无尽的好处。 从IGBT到硅芯片 随着电子技术向高功率、高密度和集成方向的发展，对大功率设备包装的焊接材料提出了更高的可靠性要求。 先说IGBT，芯片技术的进步提高了其最高工作温度和功率密度。作为新一代功率半导体设备，已广泛应用于高速铁路、新能源、电动汽车、智能电网等领域。而传统IGBT模块采用Sn-Pb（锡铅）、Sn-Pb-Ag(锡铅银)等合金焊料焊接熔点低，导热性差，对人体和环境有害，难以满足高功率电子设备封装及其高温应用要求。 再说碳化硅（SiC），碳化硅芯片作为第三代半导体的代表，可以是300℃模块温度可达175-2000℃。它逐渐进入新能源汽车等应用场景，具有更强的能量转换效率、更高的功率密度和更高的耐压性，已成为功能多、体积小、质量轻、功耗低、效率高、可靠性高的代名词。汽车工业向纯电时代的转型也成为动力半导体革命的重要驱动力。显然，随着上述趋势，将功率设备包装成模块是一种常见的做法，功率模块能否可靠稳定地工作将直接影响整个电源转换装置的可靠运行，因此必须保证和提高电源模块的可靠性，电源模块的轻量化和散热包装已成为一项重要的技术要求。 不管是IGBT碳化硅设备要求功率模块在瞬态和稳定状态下具有良好的导热性、导电性和可靠性。功率模块体积减小的趋势会增加模块和芯片电流、接线端电压和输入功率，从而增加热损失和温度漂移，严重影响功率设备的可靠性，加速设备老化。 在传统的功率模块中，芯片通过软钎焊连接到基板上，连接界面一般为两相或三相合金结构。在温度变化过程中，芯片、软钎焊合金和基板通过形成金属化合物层相互连接。目前，电子封装中常用的软钎焊料为含铅钎焊料或无铅钎焊料，熔点基本为300℃下面，软钎焊工艺的功率模块结温一般低于150℃，温度为175-200℃连接层的性能会急剧退化，影响模块的可靠性。另外，根据RoHS指令要求含铅钎料禁止在电子产品中使用，因为铅有毒，会危害环境和人体健康。 因此，迫切需要开发具有高热导率和良好综合性能的新型热界面互连材料，可用于高温高功率包装。 封装可靠性怎么热字？ 目前，IGBT设备的开发对热管理提出了更高的要求，很少有绿色焊料能满足碳化硅的高电流密度、高工作温度和良好的散热性能。挑战主要集中在以下两个方面，但都与热有关。 首先，热冲击会加剧设备的老化率。SHAREX善仁新材料研究人员认为，对于功率模块，耐温冲击和耐循环老化能力是评价功率模块寿命的重要指标，特别是碳化硅等第三代半导体设备的功率密度和工作频率，热冲击将进一步加剧设备的老化率。 典型IGBT模块包括IGBT对于二级管芯片，需要建立有效的散热通道，包括芯片与基板的连接、基板与基板之间的补充连接。在两个连接中，芯片连接更受关注，这对芯片散热非常重要。基板与底板的连接也同样重要，因为大面积基板与底板的连接更容易失效。
大面积基板和底板的封装更容易失效 芯片和基板采用回流焊工艺通过熔化焊点实现，基板与底板二次连接时需要降低回流焊温度，防止芯片与基板第一次焊点连接导致焊料再熔化。焊料再熔化会导致焊料更脆、更容易失效、芯片移位等问题。因此，通常选择熔点较低的焊料，更常用SnAg3.0Cu0.5焊料。 此外，基板连接焊料不仅熔点低，而且面积大。因此，在长期高温下工作，伴有耦合振动（如汽车等复杂工况），容易发生高温疲劳蠕变，导致基板与底板的大面积连接失效。 在一些典型IGBT在模块基板和底板的包装中，大面积底板上有两个半桥型DBC板，或6个全桥6单元形式DBC板。随着老化时间的延长，基板与底板的大面积互连迅速失效。分层图表显示，故障从边缘扩展到中心，容易导致包装阻力快速增加，极大地影响模块的整体散热效果，进一步加速模块老化故障，最终断裂焊料分层，严重限制模块在高温、复杂条件、振动等应用中的应用。 二是集成功率设备的尺寸。人们通常认为设备越小越好。在集成功率设备中，芯体积主要取决于额定功率，因此对芯体积的减小有一定的限制。如果你想盲目降低尺寸，可能会导致可靠性下降。主要问题是半导体结的温度。 充分发挥功率器件的性能意味着确保器件在安全运行范围内工作，因此烧结温度一般保持在175℃满足这一点的关键在于设备工作时如何分散热量。AS9330烧结银，能160度烧结银技术，能解决这个问题。 显然，芯片体积越大，散热表面积就越大。事实上，促进数字设备集成制造商的市场力量也影响了模拟和功率半导体领域。工程师们想要更小的芯片，因为这意味着更高的性能和更低的成本，但芯片体积将直接影响热结的散热速度。 善仁新材料研究人员认为，电力设备的体积在电子产品中非常重要。几十年来，行业发展一直遵循摩尔定律，预计晶体管成本将逐年下降。现在，摩尔定律的准确性已经受到质疑，但它对创造更小、更快、更便宜产品的推便宜的产品。摩尔定律不是功率器件的金科玉律。的确，设备越小越好，但功率半导体在有用的同时能做到多小有一些限制。这是因为其承载电流的能力与物理面积密切相关。所有半导体都有一个共同点，即需要释放结处产生的热量。这也是一物理尺寸密切相关的性能表征。 对于功率设备来说，缩小面积也可以带来同样的好处，但由于涉及的功率电平要高得多，热会进一步降低缩小面积的可能性。这里的关键指标是从结到壳的热阻，其中一个重要参数是结和芯片的物理体积。此外，芯片连接到壳体的方式是另一个仅次于体积的相关热阻参数。此外，碳化硅芯片可达3000℃预计模块结温将达到175-2000℃。 无压纳米银焊料应运而生 热结和芯后，下一个热屏障是芯和包装之间的连接点。传统的方法是焊接接触点，非常有效，易于使用，而且更便宜和可靠。然而，连接处的导热系数尤为关键，不仅要考虑材料的数量和厚度，还要考虑不同材料的导热系数。由于热量会向各个方向分布，热阻会有所不同，散热速度会有快有慢。 虽然有很多种方法改善上述窘境，如采用更好的无铅焊料等，但改善有限。一个替代方案是使用能够烧结的焊料取代铅合金焊接方法。这种焊料的导热系数往往高得多，而且可以使用更薄的焊料。银是很好的材料，银烧结层的导热系数可以达到1.4-2W/cm/℃铅焊料的导热系数约为0.25W/cm/℃。 低温成米银焊料技术的低温成型(不同于焊接)和高温使用非常有效。因为低温成形不是熔化银，而是通过固相烧结形成连接。形成这样的连接后，熔化的熔点是银的熔点，银的熔点是961℃，这样二次焊点的选择余地就大了很多。也就是说，如果原来选择的300焊接，℃熔点焊料变成9000℃对于上述熔点焊料，二次焊可选择较高温度的焊料，大大提高了连接的耐温性和高温可靠性。此外，还可直接选用低温无压烧结纳米银焊料进行二次焊接，并可实现一次成型。
纳米烧结银是善仁新材料AS9375的技术特点 前世今生纳米银 近年来，无压低温纳米银烧结技术越来越受到研究人员的关注，以解决高温大功率设备面临的问题。 事实上，早在20世纪90年代初，研究人员就通过微米级银粉颗粒烧结-低温烧结技术实现了硅芯片和基板之间的连接。有机添加剂通常添加到制作银粉中，以避免微米级银粉颗粒聚合。当烧结温度超过210时℃在氧气环境中，银粉的有机添加剂因高温分解而挥发，最终成为纯银连接层，不产生杂质相。 整个烧结过程是银粉颗粒的致密过程，能形成良好的机械连接层。虽然银的熔点高达961℃，但烧结温度远低于温度，不会产生液相。另外，要达到230-250℃用辅助加压设备提供约40个烧结温度MPa加速银焊料烧结的压力。这种方法可以得到更好的热电及机械性能，接点空隙率低，热疲劳寿命也超出了传统焊料10倍以上。然而，人们发现辅助压力过大会在一定程度上损坏了芯片，经济投大，严重限制了芯片封装领域的应用。 善仁新材料的研究发现，纳米银材料的熔点和烧结温度低于微米银，连接温度可低于200℃，不需要压力，当然辅助压力也可以降到1-5MPa，即便如此，连接层仍能保持较高的耐热性和良好的导热性和导电性。烧结过程的驱动力主要来自系统表面能和系统缺陷能。颗粒尺寸越小，表面积越大，表面能越高，驱动力越大。银原子扩散迁移的驱动力是外部对系统施加的压力、系统中的化学势差和接触颗粒之间的应力。 该方法获得的连接层为多孔结构，空洞尺寸为微米和纳米。当连接层孔隙率为10%时，其导热性和导电性可达到纯银的90%，远高于普通软钎焊材料。
善仁新材料银烧结互连 为了获得更高的可靠性，一些功率半导体头部公司争相推出类似的技术。 2006年英飞凌在Easypack单面银烧结技术和双面银烧结技术分别用于功率模块。高温循环试验发现，单面银烧结技术的模块寿命比传统的软钎焊工艺高5-10倍；双面银烧结模块寿命超过10倍。 2007年，赛米控在高压和250左右推出了精细银粉℃在低气孔率银层下烧结SKiNTER功率模块。其功率循环能力提高了2-3倍，烧结层厚度降低了约70%，导热性提高了约3倍。试验表明，标准锡银焊接是125℃而芯片和DCB烧结模块使用寿命更长。
焊接功率模块与烧结功率模块最终的失效机理 英飞凌于2012年推出.XT连接技术，芯片与基板采用银烧结工艺连接。循环试验表明，无底板功率模块的使用寿命提高了2个数量级，有底板模块的使用寿命提高了10倍以上。英飞凌也在芯片和芯片上DCB之间使用了银烧结技术(约20μm）提高可靠性。
大功率IGBT模块中的.XT技术 2016年，特斯拉Model3.银烧结技术制成的功率模块过去用于芯片粘贴的焊接材料在导热性和可靠性方面存在瓶颈，最高工作温度仅为150℃左右。而SiC芯片的工作温度可能超过175℃。 为什么银烧结技术用得不多？ 银烧结技术具有高吞吐量、低成本、高良率、低劳动力成本等成本效益。有不少厂商提供采用银烧结技术制造的功率模块，国内能批量提供低温无压烧结银的厂家只有善仁新材料。还有就是设计领域的许多工程师并不了解半导体器件设计和制造的细节，特别是银烧结技术。 银烧结技术的成本效益 功率半导体领域，尤其是在基于碳化硅等宽带隙材料的器件中，采用银烧结会可以为最终应用带来实际价值。所以，该技术在成本方面利好汽车领域，但对其他成本管控更严的方案，还是希望退而求其次，使用高温低成本无铅焊料、高温焊点、有铅焊料等，从而在保证高温可靠性的前提下降低成本。 虽然目前大部分功率半导体还没有采用银烧结技术，但是善仁新材预计：随着时间推移，这种情况会有所改观。正是由于为功率模块和系统集成方面带来的优势，采用银烧结技术将可能成为各种大功率器件封装的标配。