钎焊的工艺特点及常用的钎焊材料

钎焊是采用比焊件熔点低的金属材料作钎料,将焊件和钎料加热到高于钎料熔点,低于焊件熔点的温度,利用液态钎料润湿母材,填充接头间隙并于母材相互扩散,实现连接焊件的方法。按照钎料的熔点来分有:软钎焊,即钎料的熔点低于450℃硬钎焊,即钎料的熔点高于450℃。按照钎焊温度的高低来分有：高温钎焊；中温钎焊；低温钎焊。对于不同材料钎焊而言，其分类温度均有差异。按照加热方式来分有：火焰钎焊；炉中钎焊；感应钎焊；电阻钎焊；烙铁钎焊等。钎焊的适应性广，可焊接大部分金属和部分非金属；钎焊的可达性好，对于空间不可达的焊缝，可用钎焊完成；钎焊的精确度高，对于高精度，复杂的零部件，多焊缝，可一次焊接完成，效率高；钎焊加热温度相比熔焊温度要低很多，对母材组织和性能影响较小；焊件的变形小，特别是采用均匀加热的钎焊，焊接变形可减小到最低程度，容易保证焊件的尺寸精度。钎焊也有其缺点，主要有：强度偏低；耐热性较差；由于大多是叠加型（搭接）接头，增加母材耗量，接头笨重。钎料就是在钎焊时用于形成钎缝的填充金属。按熔点分为软钎料（低于450℃）、硬钎料（高于450℃）、高温钎料（高于950℃）；按化学成分（金属元素）分有：称其为“×”基钎料，如镍基钎料、锡基钎料、银基钎料等。钎剂，也称助焊剂，其作用是去除母材和液态钎料表面上的氧化物，保护母材和钎料在加热过程中不被进一步氧化以及改善钎料在母材表面的润湿性能。同样，配合钎料钎剂也分软钎剂和硬钎剂；按用途还可分为：铝用钎剂；粉末状钎剂；液体钎剂；气体钎剂；膏状钎剂；免清洗钎剂等。钎焊大部分是钎料与钎剂配合进行施焊，但也有不需要钎剂直接进行钎焊。钎焊时前缝的强度比母材低，为了增加强度，常采用搭接接头形式，一般搭接接头的长度为板厚的3～4倍，但不超过15mm。管材大多采用套接进行钎焊。钎焊前使用机械或化学方法清理焊件表面的氧化膜及脏物，为防止液态钎料随意流动，常在焊件表面涂阻流剂。装配时间隙过大过小，都会影响毛细管的作用，使钎缝强度降低，钎缝过大会浪费钎料。钎焊的工艺参数主要是钎焊温度和保温时间，钎焊温度，一般高于钎料熔点25～60℃，温度过高过低都不利于保证钎缝质量。钎焊保温时间应使焊件金属与钎料发生足够的作用，钎料与基本金属作用的取短些；间隙大的、焊件尺寸大的则取长些。焊后，钎剂残渣大多数对钎焊接头有腐蚀作用，也妨碍对钎缝的观察，故而必须清理干净。

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。

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