烧结银：SiC芯片封装的关键材料

烧结银：SiC芯片封装的关键材料

当前功率半导体行业正在面临SiC和GaN等宽禁带半导体强势崛起，随着电动汽车市场的增量放大，消费者对汽车的高续航、超快充等要求越来越高，电力电子模块的功率密度、工作温度及可靠性的要求也在越来越复杂，封装成了提升可靠性和性能的关键。封装是承载器件的载体，也是保证SiC芯片可靠性、充分发挥性能的关键。

碳化硅材料的使用，减小了芯片尺寸，但芯片单位面积的功率仍然相关，这意味功率模块需要更多地依赖封装工艺和散热材料来提供散热。而当前，传统的封装工艺如软钎焊料焊接工艺已经达到了应用极限，亟需新的封装工艺和材料进行替代。

SiC芯片的工作温度更高，对封装的要求也非常高，同时对散热和可靠性的要求也更加严苛，这些都需要相配套的封装工艺和材料同步跟进。传统功率模块中，芯片通过软钎焊接到基板上，连接界面一般为两相或三相合金系统，在温度变化过程中，连接界面通过形成金属化合物层让芯片、软钎焊料合金及基板之间形成互联。目前电子封装中常用的软钎焊料为含铅钎料或无铅钎料，其熔点基本在300℃以下，采用软钎焊工艺的功率模块结温一般低于150℃，应用于温度为175-200℃甚至200℃以上的情况时，其连接层性能会急剧退化，影响模块工作的可靠性。

  一为什么采用银烧结技术    传统功率模块中，芯片通过软钎焊接到基板上，连接界面一般为两相或三相合金系统，在温度变化过程中，连接界面通过形成金属化合物层使芯片、软钎焊料合金及基板之间形成互联。目前电子封装中常用的软钎焊料为含铅钎料或无铅钎料，其熔点基本在300℃以下，采用软钎焊工艺的功率模块结温一般低于150℃，应用于温度为175-200℃甚至200℃以上的情况时，其连接层性能会急剧退化，影响模块工作的可靠性。

在功率器件中，流经焊接处的热量非常高，因此需要更加注意芯片与框架连接处的热性能及其处理高温而不降低性能的能力。善仁无压低温烧结银的热阻要比焊料低得多，因而使用烧结银代替焊料能提高半导体器件结壳热阻，而且由于银的熔点较高，整个设计的热裕度也提高了。

D2PAK的热模型，表明了从芯片到壳的不同温度梯度。使用善仁新材的AS9375无压烧结银进行晶粒贴装要比使用Pb95.5Ag2.5Sn2.0 焊料进行晶粒贴装，可将热阻降低28%。相比之下，善仁无压烧结银通常可以达到200℃-300℃，这让烧结技术成为焊接工艺理想的替代方案。此外，芯片粘接是一个极其复杂的过程，采用烧结银技术进行芯片粘接，可大大降低制造成本，加工后无需清洗，还可缩短芯片之间的距离。

善仁银烧结的优势总结： 1纳米银烧结工艺烧结体具有优异的导电性、导热性、高粘接强度和高稳定性等特点，应用该工艺烧结的模块可长期工作在高温情况下；2纳米银烧结工艺在芯片烧结层形成可靠的机械连接和电连接，半导体模块的热阻和内阻均会降低，整体提升模块性能及可靠性；3烧结料为纯银材料，不含铅，属于环境友好型材料。

二 国内外企业纷纷布局银烧结技术 

2006年英飞凌推出了Easypack1的封装形式，分别采用单面银烧结技术和双面银烧结技术。通过相应的高温循环测试发现，相比于传统软钎焊工艺，采用单面银烧结技术的模块寿命提高了5-10倍，而采用双面银烧结技术的模块寿命提高了10以上。之后2007年，赛米控推出了SkinTer技术，芯片和基板之间采用纳米银烧结工艺进行连接，在250℃及压力辅助条件下得到低孔隙率银层。相比于钎焊层，功率循环能力提升了2-3倍，烧结层厚度减少约70%，热导率约提升3倍。

2012年，英飞凌推出了XT互联技术，芯片和基板之间采用银烧结技术连接。循环试验表明，无底板功率模块寿命提升达2个数量级，有底板模块寿命提升也在10倍以上。

2015年，三菱电机采用银烧结技术制作功率模块，循环寿命是软钎焊料的5倍左右。今年5月，东芝称新发布的用于碳化硅（SiC）功率模块的封装技术iXPLV，能够使产品的可靠性提升一倍，同时减少 20% 的封装尺寸。

几个月前，斯达在国内会议上也表示，公司T6系列汽车级的单管，1200V和750V，芯片采用的无压低温银烧结工艺。双面冷却的N3和N7系列，今年年底也会有相应的碳化硅的版本数量，结构同样采用双面银烧结技术。

三 无压烧结银的最大阻力    银烧结技术发展遇到的主要问题是：银烧结技术所用的纳米银成本远高于焊膏，银浆成本随着银颗粒尺寸的减小而增加，同时基板铜层的贵金属镀层也增加了成本；其他银烧结技术需要一定的辅助压力，高辅助压力易造成芯片的损伤，好消息就是善仁新材推出的低温无压烧结银，不需要压力就可以烧结对芯片无损伤；但是无压银烧结预热、烧结整个过程长达60分钟以上，生产效率较低；银烧结技术得到的连接层，其内部空洞一般在微米或者亚微米级别，目前尚无有效的检测方法。随着汽车的电子化和EV、HEV的实用化以及SiC/GaN器件的亮相等，车载功率半导体正在走向多样化。比如，不仅是单体的功率MOSFET，将控制IC（电路）一体化了的IPD（IntelligentPowerDevice）也面世且品种不断增加。多样化了的车载功率半导体，尤其是EV和HEV用车载功率半导体的耗电量不断增加，为了应对这个问题，就要求封装实现（1）低电阻、（2）高散热、（3）高密度封装。而低温无压烧结银工艺正是解决这一难题的关键技术。

善仁新材认为：压力，温度和时间是烧结质量的主要影响因素，镀层类型和质量，芯片面积大小和烧结气氛保护也是需要考虑的重要因素。相信随着以SiC 为住的宽禁带半导体的应用场景的扩大时，烧结银技术将得到更为广泛的应用和推广。

梳理半导体上游材料公司芯片的上游材料，其实在介绍国家基金二期的文章里也简单提到过。今天我们再做一次物质面的全面梳理。半导体材料包括光刻胶、靶材、特殊气体等。，这个应该很多朋友都知道。目前这些半导体材料只有15%左右是国产的。在国外封锁相关产业链的情况下，国内替代仍然是重点。从机构披露的报告来看，半导体上游材料的报告数量在增加，未来国产化趋势仍将持续。这些材料可分为三类:基础材料、制造材料和包装材料。基本材料基本上，材料可以分为硅片和化合物半导体。硅片是集成电路制造过程中最重要的原材料。相关上市公司:上海新阳、晶盛机电、中环股份。化合物主要指砷化镓(gaas)、氮化镓(gan)和碳化硅(sic)等。最近热炒的氮化镓也在其中，所以并不新鲜。上市公司:三安光电、文泰科技、海特高新、士兰威、福满电子、耐威科技、海陆重工、云南锗业、赣兆光电等。制造材料。制造材料可分为六大类:电子专用气体、溅射靶材、光刻胶、抛光材料、掩膜、湿式电子化学品。电子特种气体特种气体是特种气体的一个重要分支，是集成电路(ic)、显示面板(LCD、有机发光二极管)、光伏能源、光纤电缆等电子工业生产中不可或缺的原料。它广泛应用于薄膜、光刻、刻蚀、掺杂、气相沉积、扩散等工艺中，其质量对电子元器件的性能有重要影响。相关上市公司:华特燃气、雅克科技、南大光电、杭氧股份。溅射靶在高科技芯片产业中，溅射靶材是VLSI制造的必备原材料。它利用离子源产生的离子在高真空中加速聚集形成高速离子束，轰击固体表面。离子与固体表面上的原子交换动能，使得固体表面上的原子离开固体并沉积在基底表面上。被轰击的固体是溅射沉积薄膜的原料，称为溅射靶。靶材是溅射工艺的核心材料。目前a股市场从事溅射靶材的上市公司只有四家:阿诗创、友研新材、江峰电子、龙华科技。光刻胶光刻胶是电子领域微图形加工的关键材料，在半导体、LCD、PCB等行业的生产中发挥着重要作用。光刻胶是通过光化学反应将所需精细图形从掩膜版转移到加工基板上的图形转移介质，是光电信息产业中精细图形电路加工的关键材料。上市公司:南大光电、李强新材料、景瑞、荣达光敏、金龙机电、飞凯材料、江华微等光泽剂一般指cmp化学机械抛光工艺中使用的材料，一般可分为抛光垫、抛光液、调节剂和清洁剂，其中前两者最为关键。抛光垫的材料一般为聚氨酯或含饱和聚氨酯的聚酯，抛光液一般由超细固体颗粒磨料(如纳米二氧化硅、氧化铝颗粒)、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等组成。上市公司:鼎龙(抛光垫)、安吉科技(抛光液)。掩模板又称光掩模、光掩膜、光刻掩膜，是半导体芯片光刻工艺中设计图案的载体。上市公司:菲利帕和应时。湿电子化学品又称超净高纯试剂，是指半导体制造过程中使用的各种高纯化学试剂。上市公司主要包括:多氟多、景瑞、江华微。包装材料封装材料可细分为六大类:芯片键合材料、键合线、陶瓷封装材料、引线框架、封装基板和切割材料。芯片键合材料是一种利用键合技术将芯片与基底或封装基板连接起来的材料。上市公司:飞凯材料、宏昌电子陶瓷封装材料是一种电子封装材料，用于承担电子元器件的机械支撑、环境密封和散热等功能。相关上市公司:三环集团封装基板是封装材料中最昂贵的部分，主要起到承载保护芯片，连接上层芯片和下层电路板的作用。相关公司:兴森科技、深南电路键合线，半导体用键合线，用于焊接连接芯片与支架，承担芯片与外界的关键电连接功能。相关上市公司主要有:康强电子引线框架作为半导体的芯片载体，是通过键合线实现芯片内部电路端子与外部电路(pcb)之间的电连接，形成电气回路的关键结构部件。相关上市公司:康强电子材料切割，目前主流的切割方式分为两类，一类是用划线系统切割，一类是用激光切割。相关上市公司主要有:戴乐新材料2018年，全球半导体材料销售额为519亿美元，占比矩阵材料(23.4%)、制造材料(38.7%)和封装材料(28%)。

一种关键专用基础材料。半导体封装载板指IC封装载板，是一种关键专用基础材料。IC卡封装框架指的是用于集成电路卡模块封装用的一种关键专用基础材料，主要起到保护芯片并作为集成电路芯片和外界接口的作用，其形式为带状，通常为金黄色。

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