在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。

而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。

一、银烧结工艺的原理步骤

同时，银烧结工艺也是一种金属粉末冶金工艺，用于制备具有良好导电性和热导率的银制品。它的原理可以概括为以下几个步骤：

1、银粉混合：将细小的银粉与一些助剂(如有机胶粘剂)混合在一起,形成粉末复合材料。

2、成型：将银粉复合材料按照所需形状进行成型,常见的成型方法有挤压、注射成型等。

3、烧结：将成型好的银粉复合材料在高温下进行烧结。在烧结过程中,银粉颗粒因为颗粒间的表面张力和热力作用逐渐结合在一起,形成致密的金属结构。

4、冷却：烧结完成后，将材料冷却，使其达到室温。

5、后处理：根据需要,对烧结完成的银制品进行一些后处理,例如抛光、镀层等。

银烧结工艺的原理主要是通过高温下的烧结过程,使银粉颗粒之间结合在一起,形成致密的金属结构。这种致密的结构能够提高银制品的导电性和热导率,并且具有良好的机械性能和化学稳定性。银烧结工艺广泛应用于电子工业、电力工业等领域,制备导电连接器、散热器、电子封装等产品。

二、银烧结工艺的优势

1、烧结连接层成分为银，具有优异的导电和导热性能；

2、银的熔点高达（961℃），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，可靠性高；

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。

上表可以看出，相对于焊料合金，银烧结工艺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，银烧结工艺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。

三、银烧结工艺应用的阻力

当前，银烧结工艺在国内的应用虽然已较为普遍，很多领域都有涉及，尤其是半导体行业更为明显，但是这种封装工艺的发展也是有遇到很多问题的，总结归纳了一下，主要有以下几点：

1、银烧结工艺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；

2、银烧结工艺需要一定的辅助压力，高辅助压力易造成芯片的损伤；

3、银烧结预热、烧结整个过程长达60分钟以上，生产效率较低；

4、银烧结工艺得到的连接层，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。

四、银烧结工艺的技术原理

银烧结工艺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，根据状态不同，烧结材料一般为银浆（银膏）、银膜，对应的工艺也不同：

银浆工艺流程：银浆印刷——预热烘烤——芯片贴片——加压烧结；

银膜工艺流程：芯片转印——芯片贴片——加压烧结；

芯片转印是指将芯片在银膜上压一下，利用芯片锐利的边缘，在银膜上切出一个相同面积的银膜并粘连到芯片背面。

以纳米银浆为例，如下图所示，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。

五、银烧结工艺在功率模块封装的应用

Model 3中SiC MOS在逆变器中的装配关系如下图所示，MOS银烧结在Cooler上，铜排通过激光焊工艺连接在一起，结构非常紧凑。整个功率模块单元由单管模块组成，采用标准6-switches逆变器拓扑，每个switch由4颗单管模块组成，共24颗单管模块，器件耐压为650V。Model 3的SiC单管模块设计与Model S/X采用InfineonIGBT单管思路一致，好处是实现不同功率等级的可扩展同时，还能提升模块封装良率，降低半导体器件成本。但Model 3比Model S/X更进一步，因为其SiC模块是ST专门为Tesla定制化生产，为一种便于平面连接的封装形式，采用该SiC模块更有利于提升inverter的功率密度。

2019年9月11日，某科技成为业内实现800 V碳化硅（SiC）逆变器量产的公司，该产品是下一代电动和混合动力汽车的核心部件之一。新的逆变器可以赋能电压高达800伏的电气系统，相比如今400伏系统，它可以大幅延长电动汽车（EV）的行驶里程并将充电时间缩短一半。与保时捷电动跑车Taycan配合，快充15分钟便可将电池电量充至80%，大大节省了充电时间。

双面水冷散热Viper让这家公司在小型化上尝到了不少甜头，除了双面水冷之外，这款模块还取消了绑定线设计，提升了循环可靠性。使用时，采用双面水冷典型的夹心饼干散热模式，散热效率大幅提升。

六、银烧结工艺的发展方向

1、由于银和SiC芯片背面材料热膨胀系数不同引起的问题，可通过添加金属缓冲层来改善互连性能，但会增加功率模块封装工艺的复杂性和成本。采用满足性能指标和可靠性的烧结层代替缓冲层，成为研发的可行性方案。

2、银层的电迁移现象，不利于功率电子器件长期可靠应用。铜烧结既能满足减少电迁移现象，又能够降低成本，使其成为高温模具连接材料的一种很有前途的替代品。

3、优化烧结工业，创新烧结方案，缩减预热、烧结时长，提升生产效率；流水线工作，提升可制造性和生产设计的灵活性。

4、与无压烧结相比，低压烧结可靠度和散热性能较好。虽然部分厂商已解决压力问题，但是烧结过程中的致密性、连接层的温控和环境中性能退化问题还尚待解决。

总结一下

当前，随着电子产业的发展，电子产品正在向着质量轻、厚度薄、体积小、功耗低、功能复杂、可靠性高这一方向发展。这就要求功率模块在瞬态和稳态情况下都要有良好的导热导电性能以及可靠性。功率模块的体积缩小会引起模块和芯片电流、接线端电压以及输入功率的加大，从而增加了热能的散失，由此带来了一些了问题如温度漂移等，会严重影响功率器件的可靠性，加速器件的老化。为了解决高温大功率器件所面临的问题，近年来，纳米银烧结工艺受到了越来越多研究者的关注，而本期跟大家分享的银烧结工艺就是一种新型的高可靠性连接技术，尤其是在功率模块封装中的应用受到越来越多的关注。下一期我将跟大家分享银烧结工艺在半导体IGBT模块中的应用情况，希望有兴趣的朋友可以持续关注哦！