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隨著電子產業的發展，電子產品正在向著質量輕、厚度薄、體積小、功耗低、功能復雜、可靠性高這一方向發展。這就要求功率模塊在瞬態和穩態情況下都要有良好的導熱導電性能以及可靠性。功率模塊的體積縮小會引起模塊和芯片電流、接線端電壓以及輸入功率的增大，從而增加了熱能的散失，由此帶來了一些了問題如溫度漂移等，會嚴重影響功率器件的可靠性，加速器件的老化。為了解決高溫大功率器件所面臨的問題，近年來，銀燒結工藝技術受到了越來越多研究者的關注。

其實，早在20世紀80年代末90年代初期，Scheuermann等研究了一種低溫燒結技術，即通過銀燒結銀顆粒實現功率半導體器件與基板的互連方法。

一、銀燒結工藝技術介紹

銀燒結技術也被成為低溫連接技術，英文全稱：Low temperature joining technique，簡稱：LTJT，而它作為一種新型無鉛化芯片互連技術，可在低溫（＜250℃）條件下獲得耐高溫（＞700℃）和高導熱率（~240 W/m·K）的燒結銀芯片連接界面。同時，銀燒結工藝技術也是一種將微米級以下尺寸的銀顆粒與有機粘合劑混合形成銀膏，然后印刷到基板表面，在高溫和特定氣氛下加壓燒結，使銀顆粒之間形成緊密結合的工藝。該工藝能夠制備出導電性能良好、熱穩定性高的燒結銀膜，廣泛應用于微電子封裝、太陽能電池、LED封裝以及柔性電子等領域。

上世紀90年代初，Scheuermann等研究人員通過微米級銀粉顆粒進行燒結實現了硅芯片和基板互連，這種燒結技術即為低溫燒結技術。在制作銀粉的過程中通常會加入有機添加劑，避免微米級的銀粉顆粒發生團聚和聚合現象。當燒結溫度達到210℃以上時，在氧氣環境中銀粉中的有機添加劑會因高溫分解而揮發，最終變成純銀連接層，不會產生雜質相。整個燒結過程是銀粉顆粒致密化的過程，燒結完成后即可形成良好的機械連接層。銀本身的熔融高達961℃，燒結過程遠低于該溫度，也不會產生液相。此外，燒結過程中燒結溫度達到230-250℃還需要輔助加壓設備提供約40MPa的輔助壓力，加快銀焊膏的燒結。

該種燒結方法可以得到更好的熱電及機械性能，接頭空隙率低，熱疲勞壽命也超出標準焊料10倍以上。但是隨著研究的深入，發現大的輔助壓力會對芯片產生一定的損傷，并且需要較大的經濟投入，這嚴重限制了該技術在芯片封裝領域的應用。善仁新材最新研究發現：納米銀燒結技術由于納米尺寸效應，納米銀材料的熔點和燒結溫度均低于微米銀，燒結溫度低于200℃，輔助壓力可以低于1-5MPa或者無壓，并且連接層仍能保持較高的耐熱溫度和很好的導熱導電能力。燒結過程的驅動力主要來自納米銀體系的表面能和體系的凹陷能，系統中顆粒尺寸越小，其比表面積越大，從而表面能越高，驅動力越大。外界對系統所施加的壓力、系統內的化學勢差及接觸顆粒間的應力也是銀原子擴散遷移的驅動力。燒結得到的連接層為多孔結構，空洞尺寸在微米以及納米級別。當連接層的孔隙率為10%的情況下，其導熱及導電率可達到純銀的90%，遠高于普通軟釬焊料。

二、銀燒結工藝技術的原理

銀燒結技術是一種對微米級及以下的銀顆粒在300℃以下進行燒結，通過原子間的擴散從而實現良好連接的技術。所用的燒結材料的基本成分是銀顆粒，根據狀態不同，燒結材料一般為銀漿（銀膏）、銀膜，對應的工藝也不同：

1、銀漿工藝流程

銀漿印刷——預熱烘烤——芯片貼片——加壓燒結。

2、銀膜工藝流程

芯片轉印——芯片貼片——加壓燒結。

而芯片轉印是指將芯片在銀膜上壓一下，利用芯片銳利的邊緣，在銀膜上切出一個相同面積的銀膜并粘連到芯片背面。

以納米銀漿為例，如下圖所示，在燒結過程中，銀顆粒通過接觸形成燒結頸，銀原子通過擴散遷移到燒結頸區域，從而燒結頸不斷長大，相鄰銀顆粒之間的距離逐漸縮小，形成連續的孔隙網絡，隨著燒結過程的進行，孔洞逐漸變小，燒結密度和強度顯著增加，在燒結最后階段，多數孔洞被完全分割，小孔洞逐漸消失，大空洞逐漸變小，直到達到最終的致密度。燒結得到的連接層為多孔性結構，孔洞尺寸在微米及亞微米級別，連接層具有良好的導熱和導電性能，熱匹配性能良好。

同時，燒結銀燒結時還有兩個關鍵因素：

1、表面自由能驅動。

2、固體表面擴散。

即使是固體，也會進行一些擴散，當兩個金屬長時間合在一起的時候，一定溫度下，擴散會結合在一起的，但時間要足夠長。燒結銀，就是納米銀顆粒在一定溫度和壓力燒結情況下，能讓銀顆粒進行固體之間的擴散，最后就形成這樣一個微觀的多孔狀的結構，因為我們用了燒結銀的結構，所以現在主流的碳化硅模塊的應用都和我們有相關的銀燒結項目。當銀燒結工藝技術講到這里的時候，我覺得有必要跟大家分享一下燒結銀材料相關的內容了。

三、燒結銀工藝制備流程

燒結銀是一種重要的半導體封裝和連接材料，其制備工藝涉及多個關鍵步驟和參數控制。通過優化燒結工藝參數和工藝流程，可以制備出高性能的燒結銀材料，滿足電子工業對高性能連接材料的需求。所以，燒結銀制備的工藝流程就顯得尤為重要，以下是通常包括幾個關鍵步驟：

1、材料準備

（1）納米銀粉制備

采用物理或化學方法制備高純度的納米銀粉，確保銀粉顆粒細小且均勻。

（2）燒結銀膏/膜制備

將納米銀粉與有機載體混合，通過攪拌、研磨等工藝制備成燒結銀膏或燒結銀膜。

2、基片處理

對需要進行燒結的基片（如半導體芯片、陶瓷基板等）進行清洗和表面處理，去除表面污染物和氧化物，提高燒結質量。

3、涂布/貼裝

將燒結銀膏或燒結銀膜涂布或貼裝在基片表面，形成所需的連接圖形或結構。

4、干燥

去除銀漿中的有機溶劑，使銀顆粒在基板表面形成一層均勻的薄膜。

5、燒結

將涂布或貼裝好的基片放入燒結爐中，在真空或特定氣氛（如氮氣、氫氣等）下，進行高溫燒結。燒結過程中，納米銀顆粒在表面自由能驅動下發生固態擴散，形成致密的燒結體。燒結溫度、時間、氣氛等參數需根據具體材料和工藝要求進行優化，以確保燒結質量。

6、后續處理

燒結完成后，對燒結體進行清洗、檢測和后續加工（如切割、打磨等），以滿足最終產品的要求。

四、燒結銀工藝的應用前景

1、微電子封裝

燒結銀膜作為替代傳統焊料的新材料，能夠顯著降低封裝過程中的熱應力，提高封裝結構的穩定性和可靠性。在3D封裝、系統級封裝（SiP）等先進封裝技術中展現出巨大潛力。

2、LED封裝

燒結銀膜作為封裝材料，不僅提升了LED芯片的散熱效率，還通過優化電流分布，增強了LED的光輸出均勻性和穩定性。

3、柔性電子

隨著可穿戴設備和智能物聯網的興起，燒結銀膜因其良好的柔韌性和可彎曲性，成為構建柔性電路和傳感器的關鍵材料。

五、銀燒結工藝的分類

銀及其合金在電子、電力、航空航天等眾多領域具有廣泛應用。為了提高銀材料的物理和機械性能，常采用燒結工藝進行材料制備。燒結工藝根據施加壓力的不同，可分為無壓燒結和有壓燒結兩種。

1、無壓銀燒結工藝流程

無壓燒結，即在燒結過程中不施加外部壓力，通過粉末顆粒間的自有力和熱運動實現致密化。無壓燒結銀的工藝流程主要包括以下幾個步驟：

（1）粉末制備

采用霧化、還原、電解等方法制備銀粉末。粉末的粒度、形貌和純度對燒結體的性能有重要影響。

（2）粉末混合

將銀粉末與添加劑（如燒結助劑、增韌相等）按一定比例混合均勻。混合過程需避免粉末的氧化和污染。

（3）成型

將混合后的粉末填充到模具中，通過冷壓、等靜壓等方式進行預成型。預成型坯體的密度和均勻性對燒結體的最終性能有直接影響。

（4）燒結

將預成型坯體置于燒結爐中，在無壓或微壓環境下進行加熱。燒結溫度、時間和氣氛需根據銀粉末的特性和產品要求進行精確控制。在燒結過程中，粉末顆粒間發生擴散、熔合等物理化學變化，形成具有一定強度和致密度的燒結體。

（5）后處理

燒結后的銀制品可能需要進行熱處理、機械加工、表面處理等后處理工藝，以進一步提高其性能或滿足特定應用需求。

2、有壓銀燒結工藝流程

有壓燒結，即在燒結過程中施加外部壓力，以促進粉末顆粒的致密化和形狀保持。有壓燒結銀的工藝流程與無壓燒結相似，但在燒結環節存在顯著差異。以下是有壓燒結銀的關鍵步驟：

（1）粉末制備和混合

與無壓燒結相同，有壓燒結銀也需要進行粉末制備和混合。粉末的特性和混合均勻性對燒結體的性能同樣至關重要。

（2）成型

有壓燒結銀的成型過程通常與燒結過程相結合，即在加熱的同時施加壓力。這種熱壓成型的方法有助于提高坯體的密度和均勻性。

（3）熱壓燒結

將混合后的粉末置于熱壓模具中，在加熱的同時施加單向或雙向壓力。熱壓燒結的溫度、壓力和時間需根據銀粉末的特性和產品要求進行精確控制。在熱壓燒結過程中，粉末顆粒在壓力和熱力的共同作用下發生塑性變形、擴散和熔合等致密化機制，形成高密度和良好機械性能的燒結體。

（4）后處理

熱壓燒結后的銀制品可能需要進行與無壓燒結相似的后處理工藝，如熱處理、機械加工和表面處理等。

六、無壓銀燒結與有壓銀燒結的區別分析

1、致密化機制

無壓燒結主要依靠粉末顆粒間的自有力和熱運動實現致密化，而有壓燒結則通過外部施加的壓力和熱力共同作用促進致密化。因此，有壓燒結通常能夠獲得更高密度的燒結體。

2、燒結溫度和時間

由于有壓燒結在加壓的同時進行加熱，粉末顆粒間的接觸和擴散過程得到加強，因此可以在較低的溫度和較短的時間內實現致密化。相比之下，無壓燒結通常需要更高的溫度和更長的時間。

3、產品性能

由于有壓燒結能夠獲得更高密度的燒結體，并且燒結過程中顆粒間的結合更加緊密，因此有壓燒結銀制品通常具有更優異的機械性能和電性能。然而，無壓燒結在制備復雜形狀和大型構件時具有更高的靈活性。

4、設備成本

有壓燒結設備通常比無壓燒結設備更復雜、更昂貴，因為需要額外的加壓系統和模具。此外，有壓燒結過程中的壓力控制也對設備提出了更高的要求。

所以，無壓燒結銀和有壓燒結銀作為兩種重要的粉末冶金工藝，在銀材料制備領域具有廣泛應用。無壓燒結具有工藝流程簡單、成本低廉、適用于制備復雜形狀和大型構件等優點；而有壓燒結則能夠獲得更高密度和更優異性能的燒結體。在實際應用中，應根據產品要求、生產成本和設備條件等因素綜合考慮選擇合適的燒結工藝。

隨著科技的進步和粉末冶金技術的發展，未來無壓燒結和有壓燒結銀工藝將不斷改進和優化。例如，通過粉末制備技術的創新，可以獲得更細、更均勻、更高純度的銀粉末；通過燒結工藝參數的精確控制和智能化管理，可以實現更高效、更節能、更環保的生產過程；通過新材料的設計和復合化技術的應用，可以開發出具有更高性能、更廣泛應用領域的銀基復合材料。這些發展將為銀材料的制備和應用提供更廣闊的空間和機遇。

七、銀燒結工藝技術在功率模塊封裝的應用

隨著新一代IGBT芯片及功率密度的進一步提高，對功率電子模塊及其封裝工藝要求也越來越高。特別是芯片與基板的互連技術，很大程度上決定了功率模塊的壽命和可靠性。傳統釬焊料熔點低、導熱性差，難以滿足高功率器件封裝及其高溫應用要求。而銀燒結技術憑借其高導熱、高導電以及高可靠性的優勢，正逐漸成為功率半導體器件封裝的首選。

1、提高功率模塊的工作環境溫度及使用壽命

在功率半導體器件封裝中，散熱性能是至關重要的。傳統的焊料合金由于其導熱性能有限，往往難以滿足高功率密度器件的散熱需求。而銀燒結技術憑借其高導熱率，可以有效地將器件工作時產生的熱量散發出去，從而提高功率模塊的工作環境溫度及使用壽命。

2、適應高溫SiC器件等寬禁帶半導體功率模塊

SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）等寬禁帶半導體材料具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率等特點，非常適合制作應用于高頻、高壓、高溫等應用場合的功率模塊。然而，這些材料對封裝的要求也非常高，尤其是對散熱和可靠性的要求更加嚴苛。銀燒結技術以其高導熱性和高可靠性，特別適合作為高溫SiC器件等寬禁帶半導體功率模塊的芯片互連界面材料。

3、簡化模塊封裝結構

采用銀燒結技術可以簡化模塊封裝的結構。例如，可以將銀帶燒結在芯片正面代替鋁線，或取消底板將基板直接燒結在散熱器上。這不僅可以降低封裝的復雜性，還可以提高封裝的可靠性和散熱性能。

八、銀燒結工藝技術的發展方向

碳化硅芯片可在300℃以上穩定工作，預計模塊溫度將達到175-200℃。傳統功率模塊中，芯片通過軟釬焊接到基板上，連接界面一般為兩相或三相合金系統，在溫度變化過程中，連接界面通過形成金屬化合物層讓芯片、軟釬焊料合金及基板之間形成互聯。目前電子封裝中常用的軟釬焊料為含鉛釬料或無鉛釬料，其熔點基本在300℃以下，采用軟釬焊工藝的功率模塊結溫一般低于150℃，應用于溫度為175-200℃甚至200℃以上的情況時，其連接層性能會急劇退化，影響模塊工作的可靠性。

為了得到可靠性良好的功率模塊，英飛凌在2006年推出了Easypack1的封裝形式，分別采用單面銀燒結技術和雙面銀燒結技術。通過相應的高溫循環測試發現，相比于傳統軟釬焊工藝，采用單面銀燒結技術的模塊壽命提高了5-10倍，而采用雙面銀燒結技術的模塊壽命提高了10倍以上。

之后2007年，賽米控推出了SkinTer技術，芯片和基板之間采用精細銀粉銀燒結工藝進行連接，在250℃及壓力輔助條件下得到低孔隙率銀層。相比于釬焊層，功率循環能力提升了2-3倍，燒結層厚度減少約70%，熱導率大約提升3倍。2012年，英飛凌推出了XT互聯技術，芯片和基板之間采用銀燒結技術連接。循環試驗表明，無底板功率模塊壽命提升達2個數量級，有底板模塊壽命提升也在10倍以上。2015年，三菱電機采用銀燒結技術制作功率模塊，循環壽命是軟釬焊料的5倍左右。

作為高可靠的連結技術，燒結銀在以SiC為代表的第三代半導體具有良好的應用前景。燒結銀銀層具有良好的導熱性和導電性，高達961度的熔點使其可靠性也大大提高，而燒結溫度和傳統焊料差不多，并且無鉛化對環境特別友好。

國外研究的第三代半導體連接技術有低溫燒結銀連接技術、固液互擴散連接（SLD）和瞬時液相燒結連接（TLPS），其中低溫燒結銀技術是目前國外第三代半導體封裝技術中發展最為成熟、應用最為廣泛的技術，美國、日本等碳化硅模塊生產企業均采用此技術。與高溫無鉛釬料相比，銀燒結技術燒結連接層成分為銀，具有優異的導電和導熱性能，由于銀的熔點高達961℃，將不會產生熔點小于300℃的軟釬焊連層中出現的典型疲勞效應，具有極高的可靠性，且其燒結溫度和傳統軟釬焊料溫度相當。因此，銀燒結工藝技術的發展方向個人覺得有以下4點：

1、由于銀和SiC芯片背面材料熱膨脹系數不同引起的問題，可通過添加金屬緩沖層來改善互連性能，但會增加功率模塊封裝工藝的復雜性和成本。采用滿足性能指標和可靠性的燒結層代替緩沖層，成為研發的可行性方案。

2、銀層的電遷移現象，不利于功率電子器件長期可靠應用。銅燒結既能滿足減少電遷移現象，又能夠降低成本，使其成為高溫模具連接材料的一種很有前途的替代品。

3、優化燒結工業，創新燒結方案，縮減預熱、燒結時長，提升生產效率；流水線工作，提升可制造性和生產設計的靈活性。

4、與無壓燒結相比，低壓燒結可靠度和散熱性能較好。雖然部分廠商已解決壓力問題，但是燒結過程中的致密性、連接層的溫控和極限環境中性能退化問題還尚待解決。

九、銀燒結工藝技術的挑戰與前景

盡管銀燒結技術在功率半導體器件封裝中具有諸多優勢，但在實際應用過程中仍面臨一些挑戰。例如，銀燒結技術的工藝參數控制較為嚴格，需要精確控制燒結溫度、壓力和時間等參數以確保連接質量。此外，銀的成本較高，可能會增加功率模塊的生產成本。

同時，銀燒結工藝技術在國外的發展也是遇到了很大的挑戰：銀燒結技術所用的納米銀成本遠高于焊膏，銀漿成本隨著銀顆粒尺寸的減小而增加，同時基板銅層的貴金屬鍍層也增加了成本；銀燒結技術需要一定的輔助壓力，高輔助壓力易造成芯片的損傷；銀燒結預熱、燒結整個過程長達60分鐘以上，生產效率較低；銀燒結技術得到的連接層，其內部空洞一般在微米或者亞微米級別，據我個人所知目前他們尚無有效的檢測方法，但近幾年有否突破，還有待考證。

然而，隨著新能源汽車市場的不斷擴大和消費者對汽車性能要求的不斷提高，功率半導體器件的市場需求也將持續增長。銀燒結技術憑借其高導熱、高導電以及高可靠性的優勢，將在功率半導體器件封裝領域發揮越來越重要的作用。同時，隨著銀納米顆粒制備技術及其有機物體系合成方面的快速發展，銀燒結技術的成本也有望逐漸降低，進一步推動其在功率半導體器件封裝領域的廣泛應用。

寫在最后面的話

銀燒結工藝技術作為一種新型的高可靠性連接技術，正在逐漸成為功率半導體器件封裝領域的主流選擇。憑借其高導熱、高導電以及高可靠性的優勢，銀燒結技術不僅可以提高功率模塊的工作環境溫度及使用壽命，還可以適應高溫SiC器件等寬禁帶半導體功率模塊的需求，并簡化模塊封裝結構。盡管在實際應用過程中仍面臨一些挑戰，但隨著技術的不斷進步和成本的逐漸降低，銀燒結技術將在功率半導體器件封裝領域發揮越來越重要的作用。

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審核編輯 黃宇