燒結銀技術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一步提高，對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)釬焊料熔點低、導熱性差，難以滿足高功率器件封裝及其高溫應用要求。此外隨著第三代半導體器件（如碳化硅和氮化鎵等）的快速發(fā)展，對封裝的性能方面提出了更為嚴苛的要求。銀燒結技術是一種新型的高可靠性連接技術，在功率模塊封裝中的應用受到越來越多的關注。

一、銀燒結技術的優(yōu)勢特點

1.什么是銀燒結技術

20世紀80年代末期，Scheuermann等研究了一種低溫燒結技術，即通過銀燒結銀顆粒實現(xiàn)功率半導體器件與基板的互連方法。

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

①燒結連接層成分為銀，具有優(yōu)異的導電和導熱性能；
②由于銀的熔點高達（961℃），將不會產生熔點小于300℃的軟釬焊連接層中出現(xiàn)的典型疲勞效應，具有極高的可靠性；
③所用燒結材料具有和傳統(tǒng)軟釬焊料相近的燒結溫度；
④燒結材料不含鉛，屬于環(huán)境友好型材料。

相對于焊料合金，銀燒結技術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，銀燒結技術已受到高溫功率電子領域的廣泛關注，它特別適合作為高溫SiC器件等寬禁帶半導體功率模塊的芯片互連界面材料。

2.銀燒結技術原理

銀燒結技術是一種對微米級及以下的銀顆粒在300℃以下進行燒結，通過原子間的擴散從而實現(xiàn)良好連接的技術。所用的燒結材料的基本成分是銀顆粒，根據(jù)是否施加壓力，燒結材料一般為無壓燒結銀AS9375和有壓燒結銀AS9385對應的工藝也不同：

有壓燒結銀工藝流程：燒結銀印刷——預熱烘烤——芯片貼片——加壓燒結；

以納米銀漿為例，在燒結過程中，銀顆粒通過接觸形成燒結頸，銀原子通過擴散遷移到燒結頸區(qū)域，從而燒結頸不斷長大，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，隨著燒結過程的進行，孔洞逐漸變小，燒結密度和強度顯著增加，在燒結最后階段，多數(shù)孔洞被完全分割，小孔洞逐漸消失，大空洞逐漸變小，直到達到較終的致密度。

燒結得到的連接層為多孔性結構，孔洞尺寸在微米及亞微米級別，連接層具有良好的導熱和導電性能，熱匹配性能良好。

二、銀燒結技術在功率模塊封裝的應用

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

英飛凌與開姆尼茨工業(yè)大學（Chemnitz University of Technology）等高校合作，采用銀燒結技術的功率模塊進行了高溫循環(huán)測試。在Easypack功率模塊中分別采用了單面銀燒結技術和雙面銀燒結技術，測試結果表明，相對傳統(tǒng)軟釬焊工藝模塊，采用單面銀燒結技術的模塊壽命提高5~10倍，采用雙面銀燒結技術的模塊壽命提高10倍以上。2012年，英飛凌推出.XT封裝連接技術（英飛凌高可靠封裝與互連技術的統(tǒng)稱），采用了擴散焊接工藝，在封裝中實現(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SKiNTER，利用精細銀粉，在高壓及大約250°C溫度條件下燒結為低氣孔率的銀層。其功率循環(huán)能力提升二至三倍，而且高運行溫度下的燒結組件長期可靠。與燒結模塊相比，焊接模塊由于散熱性差，很早就會因焊接老化引起芯片溫度上升。芯片與DCB之間為燒結結合的模塊使用壽命更長。

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

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

三、銀燒結技術在其他領域的應用

銀燒結技術不僅在功率半導體封裝領域得到了廣泛應用，還可以應用于其他領域，如汽車電子、航空航天、LED照明等領域。

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

航空航天：航空航天領域對電子器件的工作溫度、可靠性和耐久性有極高的要求。采用銀

燒結技術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，因此在航空航天領域有著廣泛的應用前景。

LED照明：LED照明設備對導熱性能有很高的要求，因為高效的導熱可以降低LED芯片的工作溫度，從而延長其使用壽命。銀燒結技術具有優(yōu)異的導熱性能，可以有效提高LED照明設備的散熱效果和使用壽命。

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

四、銀燒結技術的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢

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

設備成本：銀燒結技術所需的設備和材料成本較高，這對于大規(guī)模推廣和應用產生一定阻礙。未來需要在降低成本和提高生產效率方面取得突破。

工藝控制：銀燒結工藝參數(shù)對互連層的性能有很大影響，因此對工藝參數(shù)的控制非常關鍵。進一步研究和優(yōu)化工藝參數(shù)，提高銀燒結連接層的性能和可靠性是未來發(fā)展的重點。

環(huán)境穩(wěn)定性：銀燒結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，未來需要研究改進燒結材料的環(huán)境穩(wěn)定性，以適應更廣泛的應用需求。