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。

对于功率半导体器件，芯片焊接材料必须在这些器件工作的较高温度下能够保持可靠焊接，同时为工作中的器件提供一个高导热的散热路径。如果芯片粘接材料能够承受比高铅焊料更高的工作温度，这将意味着它在宽禁带半导体器件如SiC功率二极管和晶体管应用中会有优势。由于更高的热导率、更高的击穿电压和更高的饱和载流子速度，SiC器件的功率密度可以实现大幅度增长。更宽禁带的SiC允许更高的结温，而不影响性能[1]。高铅焊料的传统冶金替代品如金锡共晶合金，有较高的作业温度，超过了半导体可以容忍的性能不退化温度；另一种替代品为填银的环氧树脂，但是这种环氧树脂又存在热导率不够的问题，不能保持芯片以最高效率工作所需的温度[1,2]。纳米颗粒具有较高的表面活性，这意味着将会有比块状银熔点961.8 ℃更低的熔点（图1），例如2.4 nm银子熔点为350 ℃[3]。这样的粒子外层在较低的温度下有类似于熔融状态的移动性，使它们在远低于传统的银粉烧结所需温度下，通过润湿和扩散彼此结合或与其他兼容材料相结合。虽然烧结过程中施加外部压力增加了粒子的接触面积，但是在纳米银粒子烧结中这并不是必须的。即使温度低于回流高铅焊料的温度，银表面的移动原子所产生的毛细管作用力也足以保证相邻粒子接触的润湿力。由于银比焊料具有更高的强度，实现本应用中所需的强度不要求高密度银。事实上，多孔结构较低的d性模量有利于减小热循环过程中由于热膨胀系数差异产生的芯片应力。当正确配制时，基于纳米银粒子的焊膏可在高铅焊料所要求的类似温度和更低的温度范围内形成可靠焊点。纳米银将高活性的纳米银粒子递送到焊接区域，并使其结合形成一个满足电气和热导率要求的结构强健的焊点，还是有许多挑战的。

不同的半导体所承受的最高温度是不同的，如锗为85℃～100℃，而硅为150℃～200℃。虽然不同半导体都有不同的最高工作温度，但却不能让它们在高温条件下工作，这是因为半导体器件的性能会随温度的升高而下降。图30-3给出了一个大功率半导体三极管的最大耗散功率与外壳温度的关系曲线。当温度低于25℃时，最大耗散功率可达90W；当高于此温度后，最大耗散功率呈线性下降。因此，必须给大功率半导体三极管增加散热装置，改善散热条件，使其能正常工作。

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