银烧结工艺在功率模块上的应用

1.概述

随着功率模块功率密度的增加，对于模块封装互连、可靠性和散热性能等方面也提出了新的要求。因此，在汽车功率模块中，除了功率器件从传统的硅基IGBT转向第三代半导体的SiC MOSFET之外，模块封装互连方面也需要进一步进行技术升级。

在功率模块中，无论是使用IGBT还是SiC MOSFET作为功率芯片，都需要与DBC（Direct Bond Copper）基板、AMB（Active Metal Brazing）基板或其他散热组件进行连接，以满足功率芯片的电流传输需求，并将产生的热量有效散出。

DBC是一种陶瓷表面金属化技术，通过在陶瓷绝缘层的上下两面高温烧结铜金属，形成坚固的化学键和微小的金属陶瓷互连。

DBC具备良好的绝缘能力、导热能力和一定的电流传输能力，不需要传统的粘合剂或焊接材料，具有较高的稳定性和热循环性能。

AMB通常由陶瓷材料（如氧化铝或氮化铝）和覆盖在其两面的铜层组成，通过活性金属钎料将铜层与陶瓷牢固连接在一起。

2.银烧结工艺

对于功率芯片与基板的连接，在新能源汽车等大功率应用领域，面临更加严峻的考验，功率密度和工作温度都大幅提高，对互连的可靠性要求也更高。

传统的芯片互连工艺采用焊料焊接，如SnAgCu系和SnSb系焊料，无法在高温工作环境下保证可靠性。

因此，需要一种可靠性更高的工艺来连接功率芯片和基板，银烧结工艺正是应对这一系列问题的解决方案。

首先，银具有热导率仅次于铜的优良导热性能，同时相对于铜来说，银不容易氧化；其次，银烧结具有更高的粘结强度和稳定性，能够长期在200℃以上的环境下工作；此外，纳米银的烧结体具有更强的导电性和较低的电阻率，能够降低功率损耗。

具体而言，烧结工艺是一种将粉末加热至熔化状态并在其他材料表面形成粘结层的方法。在粉末被加热的过程中，粉末颗粒之间发生粘结，形成具有一定强度和密度的多孔结构或致密体。

银烧结通常使用微米级以下尺寸的银颗粒，与有机粘合剂混合形成银浆，以增加流动性。将银浆印刷到芯片底部，然后将芯片放置在基板上，在高温和真空环境下加热。

在加热过程中，银浆中的有机粘合剂挥发，银颗粒熔化并烧结，形成牢固的金属键合。完成后，功率芯片与基板紧密连接，同时满足电流传输和散热需求。

银烧结工艺提高了功率模块的可靠性和稳定性，降低了系统的热阻，提高了功率密度，从而提升了整个系统的效率和性能。此外，银烧结工艺还可以减少系统的体积和重量，有利于新能源汽车等领域的轻量化设计。

在实际应用中，为了进一步提高烧结连接的质量和性能，可以通过优化烧结工艺参数、改进银浆配方和烧结设备等方式实现。同时，为了确保烧结连接的长期可靠性，还需要对烧结后的连接进行严格的质量检测和评估。

3.应用案例

银烧结技术在功率模块领域的应用已经有了一定的历史。早在2006年，英飞凌就推出了采用单面银烧结技术和双面银烧结技术的Easypack1封装功率模块。随后，2007年，赛米推出的SKiNTER功率模块技术也采用了银烧结技术。

然而，银烧结技术在电动汽车的功率模块上具有尤为重要的作用，虽然成本较高，但能够换取功率模块更长的使用寿命和更高的可靠性。

当前，电动汽车的平台电压正在从400V向800V以上发展，同时SiC功率模块也越来越普及。

纳米银压力烧结-ZXHP-0021D（带氮气保护防氧化）

在高压应用中，对器件可靠性提出了更高的要求。因此，在近年来的车企和供应链推出的车用功率模块中，银烧结技术的应用越来越普遍。

例如，比亚迪在其e3.0平台的电控单元中采用了新一代SiC功率模块，并使用纳米银烧结工艺代替传统的软钎焊料焊接工艺。相比传统的功率模块，其寿命能够提升5倍以上，连接层热阻也能降低95%。

芯聚能的第二代SiC模块也采用银烧结工艺，在芯片和芯片数量没有变化的情况下，相比第一代模块，电流提升了15%到20%。

去年，东风汽车在智新半导体产线下线的自主SiC功率模块中，也采用了纳米银烧结工艺。同时，还应用了铜键合技术、高性能氮化硅陶瓷衬板和定制化pin-fin散热铜基板。

相比传统工艺，热阻改善了10%以上，工作温度可达175℃，损耗相比IGBT模块大幅降低了40%以上，整车续航里程提升了5%到8%。

SiC功率模块在电动汽车上加速普及的脚步，从过去30万以上的车型，开始下沉到15万左右的车型中，这也将进一步推动银烧结在功率模块上的应用。

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