烧结银技术火爆的前世今生及未来

                                         烧结银技术火爆的前世今生及未来

随着新一代IGBT芯片及功率密度的进一步提高，对功率电子模块及其封装工艺要求也越来越高，特别是芯片与基板的互连技术很大程度上决定了功率模块的寿命和可靠性。传统钎焊料熔点低、导热性差，难以满足高功率器件封装及其高温应用要求。此外随着第三代半导体器件（如碳化硅和氮化镓等）的快速发展，对封装的性能方面提出了更为严苛的要求。银烧结技术是一种新型的高可靠性连接技术，在功率模块封装中的应用受到越来越多的关注。

一、银烧结技术的优势特点

1.什么是银烧结技术

20世纪80年代末期，Scheuermann等研究了一种低温烧结技术，即通过银烧结银颗粒实现功率半导体器件与基板的互连方法。

银烧结技术也被成为低温连接技术（Low temperature joining technique, LTJT），作为一种新型无铅化芯片互连技术，可在低温（＜250℃）条件下获得耐高温（＞700℃）和高导热率（~240 W/m·K）的烧结银芯片连接界面，具有以下几方面优势：

①烧结连接层成分为银，具有优异的导电和导热性能；
②由于银的熔点高达（961℃），将不会产生熔点小于300℃的软钎焊连接层中出现的典型疲劳效应，具有极高的可靠性；
③所用烧结材料具有和传统软钎焊料相近的烧结温度；
④烧结材料不含铅，属于环境友好型材料。

相对于焊料合金，银烧结技术可以更有效的提高大功率硅基IGBT模块的工作环境温度及使用寿命。目前，银烧结技术已受到高温功率电子领域的广泛关注，它特别适合作为高温SiC器件等宽禁带半导体功率模块的芯片互连界面材料。

2.银烧结技术原理

银烧结技术是一种对微米级及以下的银颗粒在300℃以下进行烧结，通过原子间的扩散从而实现良好连接的技术。所用的烧结材料的基本成分是银颗粒，根据是否施加压力，烧结材料一般为无压烧结银AS9375和有压烧结银AS9385对应的工艺也不同：

有压烧结银工艺流程：烧结银印刷——预热烘烤——芯片贴片——加压烧结；

以纳米银浆为例，在烧结过程中，银颗粒通过接触形成烧结颈，银原子通过扩散迁移到烧结颈区域，从而烧结颈不断长大，相邻银颗粒之间的距离逐渐缩小，形成连续的孔隙网络，随着烧结过程的进行，孔洞逐渐变小，烧结密度和强度显著增加，在烧结最后阶段，多数孔洞被完全分割，小孔洞逐渐消失，大空洞逐渐变小，直到达到较终的致密度。

烧结得到的连接层为多孔性结构，孔洞尺寸在微米及亚微米级别，连接层具有良好的导热和导电性能，热匹配性能良好。

二、银烧结技术在功率模块封装的应用

作为高可靠性芯片连接技术，银烧结技术得到了功率模块厂商的广泛重视，一些功率半导体头部公司相继推出类似技术，已在功率模块的封装中取得了应用。

英飞凌与开姆尼茨工业大学（Chemnitz University of Technology）等高校合作，采用银烧结技术的功率模块进行了高温循环测试。在Easypack功率模块中分别采用了单面银烧结技术和双面银烧结技术，测试结果表明，相对传统软钎焊工艺模块，采用单面银烧结技术的模块寿命提高5~10倍，采用双面银烧结技术的模块寿命提高10倍以上。2012年，英飞凌推出.XT封装连接技术（英飞凌高可靠封装与互连技术的统称），采用了扩散焊接工艺，在封装中实现了从芯片到散热器的可靠热连接。

赛米控推出的功率模块技术SKiNTER，利用精细银粉，在高压及大约250°C温度条件下烧结为低气孔率的银层。其功率循环能力提升二至三倍，而且高运行温度下的烧结组件长期可靠。与烧结模块相比，焊接模块由于散热性差，很早就会因焊接老化引起芯片温度上升。芯片与DCB之间为烧结结合的模块使用寿命更长。

2015年，三菱电机采用银烧结技术制作出功率模块，循环寿命是软钎焊料（Sn-Ag-Cu-Sb）的5倍左右，并且三菱电机自主开发了加压烧结的专用设备。

如今，银烧结技术已经成为宽禁带半导体功率模块必不可少的技术之一，随着宽禁带半导体材料（SiC、GaN）的发展，银烧结技术将拥有良好的应用前景。

三、银烧结技术在其他领域的应用

银烧结技术不仅在功率半导体封装领域得到了广泛应用，还可以应用于其他领域，如汽车电子、航空航天、LED照明等领域。

汽车电子：随着新能源汽车的发展，电动汽车对高效率、高可靠性的电力电子器件的需求不断增加。银烧结技术可以提高功率器件的稳定性和可靠性，满足电动汽车对电力电子器件的严苛要求。

航空航天：航空航天领域对电子器件的工作温度、可靠性和耐久性有极高的要求。采用银

烧结技术的电子器件可以在极端温度环境下稳定工作，具有更长的使用寿命，因此在航空航天领域有着广泛的应用前景。

LED照明：LED照明设备对导热性能有很高的要求，因为高效的导热可以降低LED芯片的工作温度，从而延长其使用寿命。银烧结技术具有优异的导热性能，可以有效提高LED照明设备的散热效果和使用寿命。

微波器件：在高频微波器件中，由于银烧结技术具有良好的导电性和导热性，因此可以提高微波器件的工作效率和可靠性。

四、银烧结技术的挑战与发展趋势

尽管银烧结技术在功率电子领域及其他应用领域展现出诸多优势，但仍面临一些挑战和问题，需要不断研究和改进。

设备成本：银烧结技术所需的设备和材料成本较高，这对于大规模推广和应用产生一定阻碍。未来需要在降低成本和提高生产效率方面取得突破。

工艺控制：银烧结工艺参数对互连层的性能有很大影响，因此对工艺参数的控制非常关键。进一步研究和优化工艺参数，提高银烧结连接层的性能和可靠性是未来发展的重点。

环境稳定性：银烧结连接层可能受到外部环境因素的影响，如湿度、氧化等，影响其长期稳定性。因此，未来需要研究改进烧结材料的环境稳定性，以适应更广泛的应用需求。