碳化硅器件挑戰現有封裝技術

轉自：半導體封裝工程師之家，作者：曹建武 羅寧勝

摘要：

碳化硅 （ SiC ） 器件的新特性和移動應用的功率密度要求給功率器件的封裝技術提出了新的挑戰。現有功率器件的封裝技術主要是在硅基的絕緣柵雙極晶體管 （ Insulated Gate Bipolar Transistor ，IGBT） 和金屬氧化物半導體場效應晶體管 （ Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ，MOSFET ） 等基礎上發展起來的，并一直都在演進，但這些漸進改良尚不足以充分發揮 SiC 器件的性能，因而封裝技術需要革命性的進步。在簡述現有封裝技術及其演進的基礎上，主要從功率模塊的角度討論了封裝技術的發展方向。同時討論了功率模塊的新型疊層結構以及封裝技術的離散化、高溫化趨勢，并對 SiC 器件封裝技術的發展方向做出了綜合評估。

1 引言

碳化硅（SiC）器件的本質特性決定了其低內阻、高耐壓、高頻率和高結溫等優異指標，在移動應用功率密度不斷提升的壓力之下，SiC 器件對封裝技術提出了全新的要求，也帶來了全新的挑戰。

在寬禁帶（Wide Band Gap，WBG）半導體發展的早期階段，SiC 等器件的封裝繼承和沿用了現有的封裝技術，這些技術主要是在硅基的絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT） 和金屬氧化物半導體場效應晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）等功率半導體的基礎上發展而來的。過去功率半導體的表面金屬化主要基于鋁質材料，且一直都在漸進改良中，例如從鋁基連接逐漸轉向銅基或銀基連接，包括邦定、焊接等。最新的發展嘗試了各種銅燒結和銀燒結，有時也稱納米銀燒結或納米銀等技術，取得了優異的測試指標，特別是銀燒結被認為是未來封裝技術的主要發展方向之一。

為了充分發揮 SiC 等新型器件的優勢，部分銅基同質連接和高壓銀燒結技術的研究已經獲得了令人滿意的性能。未來發展聚焦于低壓或無壓銀燒結；銅燒結和銀燒結都能提供極佳的導熱性能和循環壽命，但銅燒結的工藝更為復雜，費時較多產出低效，且設備昂貴，制造成本偏高，因而低壓或無壓銀燒結日益受到重視。部分工程師在連接的疊層微觀構型等方面進行了探索，近年來出現多種嵌入式基板和無基板嵌入式封裝等概念。也有一些工程師轉向了某種非傳統的異形封裝架構，暫稱之為離散型封裝。此外，封裝技術的高溫化也是一個明顯的發展趨勢。

本文首先討論了 SiC 器件的新特性和移動應用對功率密度的指標要求，以及這些特性和要求給封裝技術帶來的新壓力和新挑戰；在綜述現有封裝技術及其漸進改良的基礎上，對銅基同質連接等特別是銀燒結技術的發展狀況進行了介紹；進而討論了封裝技術的疊層結構創新和離散化、高溫化趨勢；最后對封裝技術的發展方向進行了綜合評估。

2 現有技術及其面臨的主要挑戰

2.1 SiC 功率器件的本質特性

寬禁帶半導體的本質特性主要表現在電場強度（Electric Field Intensity）、 導 熱 系 數 （Thermal Conductivity）、熔點（Melting Point）、電子遷移速度（Electron Velocity）和禁帶寬度（Energy Gap）5 個方面，不同半導體材料的本質特性見圖 1。

SiC 的本質特性在多個方面都很優秀，其低導通內阻、高耐壓、高開關頻率和高耐受結溫能力是這些本質特性的外在表現。SiC 器件特別適合功率電子的移動應用，例如多電和全電飛機、電動船舶及新能源汽車等領域。在電動汽車的電力牽引驅動系統（Electric Traction Drive System，ETDS） 應用上特別受重視，被視為 IGBT 等原有功率器件的換代技術。

2021 年末標志性的 SiC 器件單芯片內阻已經低至 13 mΩ（歐美）/17 mΩ（中國），正在挑戰 8~10 mΩ（歐美）/10~12 mΩ（中國）的量產目標。SiC 半導體制造水平越來越高，芯片的內阻持續降低，從而為更高功率密度 SiC 模塊的實現奠定了基礎。為了配合高功率SiC 模塊的應用，CISSOID 開發了相匹配的耐高溫門級驅動方案，并推出了系列三相全橋 SiC MOSFET 智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM），其中一款單臂 6 顆芯片并聯時，額定內阻僅為 2.53 mΩ，額定指標 1200 V 550 A RMS /400 kW [4] 。隨著 SiC 芯片技術的進步，未來 CISSOID 有機會推出額定內阻 2.00 mΩ 的IPM，即保持現有模塊的造型和尺寸不變，在理想的散熱條件下，單個 IPM的驅動功率將會高達1200V800A RMS /600 kW，功率密度可再提高 50%。

SiC 器件的開關速度更高，開關損耗更低（大約為IGBT 的 1/3），因而可以適應更高的脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）開關頻率。過去基于 IGBT、MOSFET 器件構建的功率驅動電路開關頻率多為6~10 kHz，一般不超過 15 kHz。而基于 SiC 器件的同等功率實現，開關頻率常常都在 12~30 kHz（電機驅動） 或 50~100 kHz（電源逆變）。歐洲電力電子中心（European Center for Power Electronics，ECPE）探索項目在 2015 年已經實現了 250 kHz 的 SiC 開關頻率 [5] ；2021 年有些面向電源類應用的 SiC 功率模塊，PWM開關頻率已經高達 400 kHz [6] ，有些 SiC 門級驅動芯片的開關頻率已經高達 430 kHz [7] 。針對高壓大功率AC/DC 或 DC/DC 應 用 ， 已 有 研 究 機 構 嘗 試 在CISSOID 的 IPM 上進行 200 kHz 開關頻率的測試；針對電機拖動類應用，也有客戶開始在 CISSOID 的 IPM上嘗試30~40 kHz 的開關頻率。

SiC 器件耐壓高、內阻小，芯片尺寸相對于 IGBT可以做得很小。目前一顆額定指標為 1200 V、150 A（約 12 mΩ）的第四代 IGBT芯片，面積約為 140 mm 2（11.31 mm×12.56 mm）[8] ；而一顆額定指標同為 1200 V、150A（13mΩ）的 SiC 器件，面積僅為 30mm 2 （4.36mm×7.26mm）左右 [9] ，后者面積較前者幾乎減小至五分之一。

在高壓大電流和高開關頻率的應用中，大電流意味著導通損耗的增加；開關頻率的提高也會帶來開關

損耗的增加；SiC 芯片面積的顯著縮小使得單位面積散熱需求急劇增加 [10-12] 。在同等負載功率的情況下，兼顧結溫、瞬態熱阻、短路耐量等因素，SiC 器件封裝的單位體積導熱能力需要提高 3~7 倍才能滿足總體的散熱要求，這對封裝技術提出了前所未有的挑戰。

2.2 來自移動應用的指標壓力

從 2014 年開始，美國能源部 （Department of Energy，DoE）在 DoE 2025 序列資助了多個 WBG 基礎研究項目，橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）、 麻 省 理 工 學 院（Massachusetts Institute of Technology，MIT） 等學術機構及企業參與研發[13-15] 。DoE 還與其他單位一起資助了USDRIVE 等新能源汽車探索，指向 WBG 器件的具體系統應用實現，其中對電動汽車類 ETDS 提出了苛刻的功率密度要求（見圖 2）。

美國國家可再生能源實驗室、伊利諾斯理工大學等 研 究 機 構 及 福 特 、 通 用 等 汽 車 企 業 參 加 了USDRIVE 的挑戰性研究項目 [13-15] 。主要難題在于ETDS的功率密度，相對于 2020 年的水平，USDRIVE 要求2025 年牽引電機及其驅動的功率密度分別提高到50 kW/L 和 100 kW/L，相對于 2020 年的探索實現（非工業實現），要求 2025 年分別提高 8.8 倍（機械）和 7.5倍（電氣）；同時要求 ETDS 的成本下降到 2025 年的6 $/kW [14] ，實現與內燃機驅動系統的可比性。

在環保要求更高的歐洲，業界也面臨著類似壓力。ECPE 作為歐洲功率電子領域的代表性平臺，依托本地多個大學、研究機構和企業，在基礎材料、封裝技術等多個層面做了大量的研究，均指向了各類創新性的高密度封裝 [19] 。

2.3 現有封裝技術面臨的關鍵挑戰

SiC 器件對封裝技術特別是高功率密度模塊的封裝提出了新的要求。這些要求包括但不限于： （1）為了耐受更高的結溫，所有結合面的熔點要從 200 ℃提高到 400 ℃以上； （2）封裝的總體散熱能力提高 3~7 倍，以便在更小的體積下耐受相當的耗散功率；（3） 連接的剪切力（die Shear）值要從 30 MPa 提高到 60 MPa 以上，從而可以耐受寬幅熱沖擊和熱電聯合功率循環，保證可靠性和壽命； （4）連接面的電阻值要小，以便耐受較高的電流； （5）要求更小的封裝體積，有助于進一步提高功率密度并降低雜散電感，適應更高的開關頻率 [20-27] 。以 ETDS 為例，要實現 8 倍左右的功率目標值且散熱能力還要提高 3~7 倍，業界必須從新興材料、新型連接工藝和疊層構造形式等方向去尋找答案。

3 現有封裝技術及其漸進改良

3.1 現有的封裝技術

現有封裝技術的核心可以歸納為焊接和邦定技術，筆者泛稱為連接或結合。對于功率模塊，與芯片（die/dice）直接相關的連接稱為芯片近端連接，其他泛稱為芯片遠端連接。關于連接，多數文獻混用為Attach、Contact、Connection或 Join、Joining 等，也有人用 Bonding 來泛指所有的連接（結合）。焊接是用于芯片底部與基板（Substrate）的連接（die Attach），或基板與散熱底板的連接（系統連接）。焊接的主要方法有傳統的SAC 焊接（SnAgCu Soldering），近年發展出了各種釬焊（Brazing）和擴散焊等。邦定（Bonding）是用于芯片頂部到基板或基板到模塊外框引線的連接，材質常用金銀銅鋁，型制有線形或帶狀，方法有超聲或熱壓等。過去功率芯片的表面金屬化材料通常是 Al 或Al 摻雜少量 Si、Cu，經過焊接與基板表面（通常是 Cu）形成的金屬間化合物構成 die Attach 的結合層。基板兩面的金屬常為 Cu，通過焊接與散熱底板連接，散熱底板的材質通常為鋁碳化硅（AlSiC）或表面鍍 Ni 的 Cu。

這些連接器件的性能在早期 IGBT 中可以滿足多數應用的要求，近年來則日益落后于半導體技術的發展，主要表現在兩個方面： （1）由于半導體芯片單位面積電流密度的提高，原有連接的導熱能力嚴重不足；（2）由于半導體芯片最高耐受結溫的提高，芯片近端和遠端連接在寬幅度熱沖擊或熱電聯合功率循環測試中劣化太快，壽命不足。各類連接的熔點、導熱能力取決于表面材料及形成結合的工藝過程，連接的剪切力取決于表面材料及結合層的熱膨脹系數（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）。SiC 基礎材料的 CTE 為（4.3~5.4）×10 -6 /℃，金銀銅鋁的CTE 依次為 14×10 -6 /℃、20×10 -6 /℃、18×10 -6 /℃、23×10 -6 /℃ [2, 27-28] ，金銀銅的 CTE更接近半導體，且剛度較低，拉伸延展性更好，商業中應用的封裝技術主要使用銀和銅。

3.2 基礎材料和工藝的發展

至今為止，絕大多數基板的表面金屬都是銅，外框引線端子也多為銅（有時鍍鎳等）。功率模塊常用的是直接覆銅陶瓷基板（Direct Copper Bonding，DCB，或Direct Bond Copper，DBC）、氮化鋁有源金屬釬焊覆銅陶瓷基板（AlN Active Metal Brazing，AMB），還有摻雜了二氧化鋯（ZrO 2 ）增韌的 Al 2 O 3 陶瓷基板等，基板與散熱底板的連接（系統連接）泛稱為 DCB Attach，它們的表面金屬化材料都是銅。近年來在 USDRIVE 項目的 支 持 下 ，ORNL 等 開 發 了 嵌 入 石 墨（Graphite Embedded）的陶瓷基板，額定熱阻下降 17%，瞬態熱阻降低 40%，電流能力提高 10% [14] ，其表面金屬還是銅。

在 DCB Attach 工藝中，AlSiC散熱底板的 CTE 為（7~9）×10 -6 /℃，熱電聯合功率循環周次是銅質散熱底板的 10 倍，但其導熱能力只有銅質散熱底板的 30%，壽命雖長但散熱效果較差，因而近期的很多研究回歸到銅散熱底板。過去功率器件的表面金屬多為鋁，芯片頂部的粗線邦定多用鋁線（也有些網狀編織銅帶的嘗試）。近年來芯片近端連接的發展方向主要是用銅替代鋁，與鋁相比，銅的導熱性能約高 80%，電流能力約高 37% [24] ；銅的 CTE 較低且更為柔軟，延展性強，因而在解決了 DCB Attach 的壽命問題之后，銅基同質連接的熱沖擊和熱電聯合循環測試周次可以比傳統的銅鋁連接高 6~15 倍 [27-28] 。銅基同質連接工藝普適性強，除了用于傳統的邦定和焊接外，還用于銅夾封裝（Copper Clip Package，CCPAK）和印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）的各種厚銅工藝及焊接、燒結等。銅與半導體材料表面的結合有鋁質金屬化鍍銅、銅質燒結緩沖層邦定、二次燒結等 [10,19,24,26] 。

然而裸露的銅很容易被氧化；銅與硅、SiC 等半導體材料結合的附著力也偏弱；銅基連接工藝過程繁瑣費時，量產產量低，制造設備昂貴。另外，功率器件的連接需要具備較大的電流能力，因而常用粗壯的線型或帶狀邦定材料，這樣又會導致在熱脹冷縮時產生較大的機械應力，容易損壞芯片、降低壽命。近期關于銅基同質連接的研究都是圍繞著相關材料的改良（例如在銅料摻雜其他形成合金及焊料成分改善）和制造工藝（焊接方法等）展開的 [10,23-24,26,29] 。

連接的工藝實現和基礎材料的開發是同步改良的。例如，傳統錫銀銅焊接的 CTE 約為 30×10 -6 /℃，剪切力為 20~30 MPa，導熱系數為 30~58 W/ （cm·℃）[2,29]，因而在連接工藝方面出現了固液相互擴散和瞬時液相燒結 / 焊接等工藝，與之配合研發了特制的焊料，新型焊接工藝的主要連接指標均有一定的改善 [30-32] 。此外，大量研究表明，在一定壓力下進行的銅燒結和銀燒結的剪切力是焊接的3~5 倍，熱導率為 3~9 倍，電阻率僅為焊接的 1/6 左右，各方面都有相當大的進步。

作為連接和結合輔料的粘性導電環氧樹脂或摻雜微米銀聚合物近年來也獲得了極大的進步，過去老式的環氧樹脂導熱能力只有 1~7 W/mK，現在已經提高到 20~100 W/mK [2,29,33] ；除導熱外，這些輔料還可以幫助減小連接電阻，減緩熱脹冷縮帶來的機械應力等 [33] ；與之類似，作為模塊封裝填料的絕緣導熱有機硅膠、熱固性樹脂等材料的導熱能力也提高了。最后，外殼模料的發展對于封裝的整體散熱也有貢獻。這些輔料的選擇和工藝過程對封裝整體性能也有重要影響 [10,33-38] 。

3.3 銅基同質連接的研究

很多學術機構和企業參加了銅基同質連接的研究，例如歐洲弗里德里希亞歷山大大學等研究了重型銅線邦定，卡爾斯魯厄理工學院研究了粗銅線與厚膜銅基板的邦定；有些企業開發了激光邦定技術來提高銅銅結合的連接強度，還有些企業開發了鋁硅包裹銅帶用于功率邦定；有些企業開發了鋁基金屬化芯片表面雙面鍍銅的工藝來支持銅基同質連接；多個企業開發了用于重銅邦定的 PCB 基板和焊膏以及操作工藝，可用于 die Attach、邦定、擴散焊和銅燒結。部分工藝設備制造企業在這些研究的基礎上進行局部創新，推出了兼容銀燒結和重銅邦定的制造設備 [19] 。

NAKAKO 等 人 在 PCIM 2018 （Conference of Power Convention and Intelligent Motion，PCIM）報告了銅燒結循環壽命的研究 [39] 。他們使用了 3 種不同的銅漿料，環境氣體配置有氫氣、氮氣和甲酸，設置 225~300 ℃的不同溫度等級，在銅、DCB 或 AMB 基材上進行了燒結試驗，試驗表明銅燒結可以用于 49~169 mm 2的芯片。該研究還使用了 25 mm 2 的硅基芯片分別進行銅燒結（無壓，300 ℃）、銀燒結（20 MPa，300 ℃）、高鉛焊接，然后進行了-40~+200 ℃的寬幅熱沖擊測試對比。在 5000 次循環之后，三種連接都出現了某種程度的劣化，銅燒結的邊緣出現了細微的裂縫，銀燒結的邊緣則出現了較大的裂縫，但二者的中間位置幾乎沒有劣化；高鉛焊接的邊緣和中間均出現了明顯的裂縫。該試驗還進行了 5 MPa、10 MPa 等不同壓力條件組合的測試，獲得了 60~80 MPa 的剪切力。

NAGAO 等人在 PCIM 2018報告了高結溫半導體銅燒結研究的情況 [40] 。他們使用一種新型的銅漿料（來源未披露），在 300 ℃和氮氣中，用 1 MPa 的低壓對 Si（3 mm×3 mm）和 SiC（3 mm×4.4 mm）芯片進行銅燒結，獲得的剪切力均值分別為 32.7MPa （Si ）和 17.2MPa（SiC），報告認為這個結果好于傳統的高溫 Pb20Sn 焊接（一種高鉛的鉛錫焊料）。

WANG 和 LU 在 CIPS 2020 （International Conference on Integrated Power Electronics Systems）聯合 做 了 題 為 《Sintered Copper die Attach：Process，Properties，and Reliability 》 [41] 的研究報告。研究者使用微米級的低成本市售銅膏，用銅燒結進行了 die Attach測試。該測試使用了 3 mm×3 mm、5 mm×5 mm 的IGBT 芯 片 、DCB、AlN AMB 基 板 ， 在 0~5 MPa、230~300 ℃等條件組合下進行燒結操作。測試表明，在5 MPa、270~300 ℃，不同基板上進行 30 min 的銅燒結，芯片的剪切力最高可達 65 MPa。在經過 2000 次的-55~125 ℃熱沖擊循環（參照 JESD22-A106B.01 測試標準）之后，剩余剪切力也還有 58 MPa。考慮到目前各類焊接工藝的 die Attach 剪切力都在 20~30 MPa 左右，該報告的結果是相當積極的。

3.4 封裝技術的現狀

某些基于第五代 IGBT 芯片的功率模塊封裝技術是漸進改良的典型案例，反映了封裝技術的現狀 [30-31] 。該技術集合了封裝技術的經典方法和漸進改良成果，其中部分也嘗試了銅燒結和銀燒結等工藝，主要包括：

1）芯片頂部連接，核心是銅銅（Cu-Cu）邦定，通過對芯片頂部進行銅質金屬化（基板表面也為銅），邦定線由鋁線改為銅線，獲得了最佳的表面同質結合及CTE 匹配，改善了連接壽命和芯片表面的散熱狀況；

2）芯片底部連接，依據底部金屬化的不同，分別采用銅錫（Cu-Sn）或鎳錫（Ni-Sn）混合焊料進行擴散焊（不同配比試驗，有時也摻入了納米銀粉），在結合面產生了 5 μm 以上的金屬化合物層，測試表明對面積高達 185mm 2 的 IGBT 芯片都可以有效操作，該封裝技術也嘗試了高壓銀燒結來進行dieAttach （壓力5~30MPa）；

3）系統連接，DCB Attach 等，通過調節焊料中的錫銀銅比例，并調節工藝過程（溫度曲線），實現了高效改進型焊接，獲得最佳的結合面彈性模量。

由此，該組合式漸進改良的封裝技術獲得了性能的綜合性改善：首先，該技術將各個連接的熔點都提高到了 400 ℃以上，可以支持 200 ℃以上的最高工作結溫，可用于 SiC 模塊的封裝；其次，使用該技術的功率模塊在各種壽命測試中表現優異，在熱沖擊和熱電聯合功率循環（類似于 AQG 324 的 PCSEC [42] ）測試中表現優異，經過 200 萬次循環后芯片頂部邦定幾乎沒有劣化，底部焊接則僅因 DCB 銅皮劣化而受到影響 [30] ；模塊總體熱阻顯著降低，導熱性能提高 15%左右。該封裝技術是一個顯著進步，但對于 SiC 器件要求的3~7 倍的散熱能力還是不足的。

其他廠家也開發了主要基于銅基同質連接的不同工藝，具體實現各有特色。例如直接端子鍵合把銅質引線端子直接鍵合到芯片頂部 [19] ，芯片頂部系統混用了銅燒結和銅銅邦定 [19] ，與 DTS 概念接近的邦定緩沖層（Bonding Buffering）技術揭示了銅基同質連接的核心要點：通過在芯片表面生成大約 50 μm 的緩沖層，解決了銅與半導體表面結合強度不足的問題，且導電和導熱能力優異，有報道說該技術實現的芯片頂部連接，電流耐受能力提高至原有工業標準的 15倍 [22-25] 。還有一些企業轉向了銀銅三維多層燒結的無邦定連接，目前細節沒有得到足夠的披露，但是廠家宣稱其電流能力、導熱能力和熱循環周次均得以提高10 倍 [19] 。國內的領先企業也開發了類似的先進混合封裝技術，取得了優異的測試結果，部分已在產品上批量應用 [27] 。

由此可見，目前功率器件封裝技術的核心工藝已從鋁基轉向銅基，在前期研究和實際產品應用上都取得了顯著進展，除了基于原有技術的邦定和焊接等連接型式，銅燒結也有不小的進步。但從導電導熱性能、剪切力、熔點等指標來看，這些漸進改良的效果還不夠，因而近年來業界的前沿研究大都轉向了銀燒結。

4 銀燒結技術

4.1 銀燒結技術的背景

銀是目前唯一一種在 200 ℃下有自動還原的去氧化自潔功能的金屬材料，對于銀銀（Ag-Ag）、金銀（Au-Ag）或銀銅（Ag-Cu）界面，銀燒結后形成的結合面非常穩定，工藝實現相對簡單，生產速度更快。從現有的研究成果來看，銀燒結形成的結合面同時具備高電導、高熱導、高可靠性、高剪切力等特點，因而已被視為封裝技術未來的核心發展方向之一。卡爾斯魯厄理工學院的研究報告 [50] 指出，die Attach 銀燒結之后的結合面熔點分別為 961 ℃（銀）和 1085 ℃（銅），足以耐受高達 225 ℃的工作溫度，銀燒結的導熱能力是傳統焊接的 5~7 倍，融合界面更為柔軟，具有更大的剪切力值，銀燒結壓力與 die Attach 剪切力的大致關系參見圖 3，因而其熱電聯合功率循環壽命是傳統焊接的 10 倍。總而言之，僅就熱力學性能而言，銀燒結正好可以滿足 SiC 器件對封裝技術所要求的 3~7 倍的散熱能力 [27,35,43-47] 。

目前國內模塊封裝常用的釬焊焊料為錫銀銅焊料組合（SnAgCu，SAC），其熔點僅有 220 ℃左右，而現在多數 SiC 器件的最高額定結溫都是 175 ℃，很快就會普及到 200 ℃，因而要求芯片底部連接結合面的熔點要達到 300 ℃，最好超過 400 ℃。由于銀燒結形成的結合面更為柔軟，在芯片底部連接時，高溫高壓銀燒結的熱沖擊測試或熱電聯合功率循環周次，可以達到傳統釬焊的 10 倍或以上 [24,27] 。不僅如此，銀燒結連接在電氣和熱力學性能上也非常理想，大致而言，其燒結面的電阻率可以降低至 8×10 -6 Ω·cm 2[8] ，熱導率提高到150~300 W/ （m·K），導熱性能是傳統焊接的 3~10倍 [2,27,35] 。圖 3 中給出的數值是一個大致的數量級描述。銀燒結相關的研究和實踐還處于早期階段，尚未有一個公認的、規范化的測試規程，所以不同研究的測定條件是有差異的，報道的測試數值也各不相同。

銀燒結的優異性能吸引了大量的研究者涉足其間，但其并非新生事物。早在 1970—1983年，銀燒結就被用于金屬和陶瓷之間的鍵合，同期也有一些銅燒結、金燒結的研究，還有使用鐵和陶瓷（Al 2 O 3 ）在100 MPa~1 GMPa 壓力下進行燒結的報道。1990 年前后，德國開始使用微米級的銀粉膏料來進行高壓燒結，2000 年前后，納米級的金粉和銀粉（納米銀）也開始被用于各種試驗。這些實驗表明在適當的壓力條件下，各種燒結都能實現極佳的連接強度和導電導熱性能，近期中高壓銀燒結也開始進入量產應用；近年來更多的試驗表明，較為便宜的亞微米到微米級的混合銀粉漿料可以在較低溫度（220 ℃左右）進行有效的燒結（配合以各種輔料、制造工藝），但還是需要足夠的壓力才能保證剪切力、導通電阻及導熱能力等指標滿足應用的需要 [20] 。目前已有一些報道展示了低壓甚至無壓銀燒結試驗的測試情況，效果暫時還不夠理想，有待進一步探索。

歐洲很多研究機構介入了銀燒結相關的探索。在德國佛勞恩霍夫研究促進協會（Fraunhofer）體系中，材料和系統所（Fraunhofer Institute for Microstructure of Materials and Systems，IMWS）長期致力于廣域的半導體封裝基礎研究并開發了對應的 CAM（Computer Aided Manufacturing） 系 統 ；可 靠 性 和 微 集 成 所（Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration，IZM）同時在進行大面積銀燒結和擴散焊的研究和驗證；硅技術所（Fraunhofer Institute for Silicon Technology，ISIT）也從事封裝技術和可靠性研究，并與美國元件企業 VISHAY 一起建立了研究型試生 產線；法國 IMS （Laboratoire de l'Intégration du Matériau au Système）開放平臺進行了 3D 組裝相關的低 壓 銀 燒 結 研 究 ， 法 國 PRIMES（Plateforme d'Innovation Mécatronique de Puissance et Management de l'énergie） 開放平臺則進行了模塊結構創新方面的開 發 。 University of Breme、Chemnitz University of Technology、Delft University of Technology 等高校也都參與了各種銅燒結、銀燒結研究。歐洲其他國家的研究機構相對分散，大都依托于 ECPE 與德法的對口單位合作 [19] 。

2014 年 SIOW 在期刊 Electronic Materials [44] 、2018年 LIU 等人在 Micromachines [45] 匯總了銀燒結的總體情況，兩個報道均可作為近年來銀燒結技術發展的索引。在 PCIM 2018，TAKESUE 等報道了無壓銀燒結在機械和可靠性方面的測試情況 [48] ，OTTO 等人報道了在引線框架上進行銀燒結和擴散焊的對比研究 [32] ，DRESEL 等人報道了在高溫 PCB 上進行銀燒結的研究情況 [49] ；在 CIPS 2020，SUGANUMA 報告了有壓銀燒結及銅燒結的測試情況 [20] ，SUBBIAH 等人（佛萊堡大學） 報道了在若干非 DCB 基板進行銀燒結的試驗 [46] ，而 BLANK 等人（卡爾斯魯厄理工學院）則對無壓銀燒結進行了總結 [50] ；2021 年 CALABRETTA 等人在 Applied Science 報道了銀燒結工藝優化和建模的研究成果 [47] 。這些研究報道反映了近年來銀燒結技術的前沿發展，以下筆者對相關研究作一些詳細介紹。

4.2 銀燒結技術的相關研究

4.2.1 大阪大學的研究

大阪大學 SUGANUMA 在CIPS 2020 報 告 了《 WBG Power Semiconductor Packaging with Advanced Interconnection Technologies 》 [20] ，作為 CIPS 2020 的特邀報告，論文詳細說明了銀燒結結合面的形成機制：柔軟的合金融合介面（見圖 4）。報告總結了銀燒結技術的歷史和現狀，給出細節數據，團隊用相對便宜的微米和亞微米混合顆粒銀膏在 200 ℃低溫下進行 die Attach，獲得優異的電氣和熱傳導性能。報告指出，在180 ℃進行 10 min 的無壓銀燒結可在 DCB 上形成剪切力值約為 30~40 MPa 的結合，結合面的電阻值、熱導率等關鍵指標也很理想；用 GaN 芯片在鍍鎳的陶瓷覆鋁（Direct Bonding Aluminum，DBA）基板上進行銀燒結，在-40~250 ℃區間進行 500 次熱沖擊試驗后，殘余剪切力幾乎沒有變化（保持在約 33 MPa 的水平）。

對于用銀料濺射形成的 GaN 芯片金屬表面，在250 ℃與微米銀膏燒結后的銀珠分布非常均勻，可以有效結合兩個表面；對于 Au-Ag 燒結，過去低壓燒結的效果不良困擾了業界多年，近年已被研究清楚，空氣環境、無壓、180 ℃、10 min 燒結的結合面細節見圖4。另外，作者也曾經做過數年的銅燒結研究，在250~300 ℃的氮氣環境中，用 0.4 MPa 的壓力進行的銅燒結也可獲得 30~40MPa 的 die Attach 剪切力數據。

大阪大學的報告指出，傳統焊接技術已不能滿足WBG 器件對導熱能力及熱電聯合循環壽命的苛刻要求，高壓銀燒結目前雖然還比較昂貴，但是已經開始了商業化應用進程。由于燒結的結合面是融合性的，與焊接結合面的剛性相比要柔軟很多，因為能夠更好地消化熱脹冷縮的機械應力，所以獲得了極為理想的可靠性和壽命。

4.2.2 佛萊堡大學的研究

佛萊堡大學 SUBBIAH 等人在CIPS 2020 報告了《 Comparison of Silver Sintered Assemblies on Non-DCB Substrates 》 [46] ，對3 種非 DCB 基板（IS550H 高溫 PCB、隔離金屬基板和銅質引線框架） 進行了銀燒結測試，測試使用了 2 mm×2 mm的小型芯片及市售銀膏（LTS338-28 [37] ），在230 ℃、10~20 MPa 壓力下進行，初始和剩余剪切力見圖 5。

該研究指出，用銀燒結技術把功率芯片等直接連接到高溫 PCB 上是可行的。僅從剪切力的數據來看，這個試驗并不完美，因為在高壓銀燒結（最高 20 MPa）時獲得的最佳剪切力初值只有 35 MPa，低于 3.3 節天津大學的中壓 5 MPa 銅燒結數據 [41] ，所以筆者認為這個試驗還需要進一步的嘗試，例如參考 4.2.3 節卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruhe Institute of Technology，KIT）的測試，使用不同的芯片底部金屬化層及 PCB 的表面處理來進行比對。不過該試驗偏向離散式封裝（參見5.2 節），報告提及了在 PCB 上可以集成更多的離散元件并通過銅質過孔互聯等，并稱該 PCB 基材可以在200 ℃高溫環境下長期可靠地工作，因而該研究也有其獨特的意義。

4.2.3 卡爾斯魯厄理工學院和日立化學的研究

卡爾斯魯厄理工學院 BLANK 等人和日立化學ISHIKAWA 在 CIPS 2020 聯合發表了 《 Is Pressureless Sintering Ready for Power Electronic Modules？ 》 報告 [50] ，報道了無壓納米銀及納米銅 die Attach 燒結的測試情況。測試使用 3 種不同尺寸的 die，分別為2.3 mm×2.3 mm、3.2 mm×1.6 mm、4.0 mm×4.0 mm，較小的 2 款芯片獲得成功，第 3 個較大的芯片遇到問題，燒結后呈現大量的空洞區（見圖 6）。

研究者使用了 100 nm 的納米銅膏、20 nm 的納米銀膏等材料，在 275 ℃進行了無壓燒結對比試驗，銀燒結測試的襯底使用了常規的 DCB 基板及化學鍍鎳沉金（Electroless Nickel Immersion Gold，ENIG）和化學鍍鎳鍍鈀及沉金（Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold，ENEPIG）這 2 種 PCB 基材，銅燒結測試則使用了 DCB 基板及銅質引線框架。

2.3 mm×2.3 mm 的 die使用了純銀進行底部金屬化，3.2 mm×1.6 mm 使用了厚膜銀鈀合金（Thick Film Silver Palladium，AgPd），而 4.0 mm×4.0 mm 的 die 底部表面為鎳鈀銅合金，并在燒結前進行了表面預處理。此外，測試還使用了 80 μm 和 120 μm 兩種銀膏（銅膏）印刷厚度進行了燒結試驗，具體燒結時間曲線的配置也有調整和變化。試驗表明，對 2.3 mm×2.3 mm的芯片，納米銀燒結在 ENIG 和 ENEPIG 產生的剪切力均值分別為 82 MPa 和 100 MPa，較為理想；3.2 mm×1.6 mm（AgPd 底部）的芯片，在 ENIG 上的剪切力均值為 70 MPa，但在 DCB 上表現不佳，不超過30 MPa；至于銅燒結，這兩個小型芯片在一定的工藝條件下獲得的最好結果是在銅質引線框架上，剪切力均值為 65 MPa，與天津大學的測試結果一致 [41] 。4.0 mm×4.0 mm 芯片的銀燒結試驗沒有獲得成功，空洞面積太大（圖 6），報告者認為該芯片面積較大，在進行無壓銀燒結時焊膏揮發存在一定困難，還需要繼續研究。

4.2.4 卡塔尼亞大學的研究

CALABRETTA 等人在卡塔尼亞大學及合作企業研究了 SiC 芯片銀燒結工藝優化并建模，在 Applied Sciences 發表 《 Silver Sintering for Silicon Carbide Die Attach:ProcessOptimizationandStructuralModeling》 [47] ，報告了使用 BOSCHMAN 的市售設備在 AMB 基板上進行 SiC 芯片銀燒結的詳細過程。該文還報告了10~30 MPa 的有壓銀燒結最佳壓力值的測定方法，并結合 3000 次寬幅熱沖擊試驗（-65 ~+150 ℃）的中間和最終測試數據，劣化情況見圖 7。

他們還基于中間測試結果等數據，對銀燒結的材料（顆粒）、壓力、溫度等之間的關系進行了研究，嘗試了用有限元方法對結合面進行分析，并通過燒結粘附特性和相關斷裂形式進行了內聚區建模。

4.3 銀燒結技術的材料、工藝和設備

銀燒結的兩個表面，芯片底部金屬化層和基板、散熱底板表面的金屬化層的材質也得到了廣泛的研究。例如，因戈爾施塔特技術應用大學等研究了銀漿料與改性銅合金之間的連接；弗勞恩霍夫集成系統和設備技術研究所 （Fraunhofer Institute for Integrated Systems and Device Technology，IISB）則研究了銀銀直接鍵合的效果；阿莎芬堡應用技術大學研發了 Micro Copper Sinter 材料；F&K、DODUCO 等企業也致力于界面友好的鍍層材料研究并應用于產品設計 [19] 。

在企業界，領先的基礎材料公司 HERAEUS、日立化學等開發了適用于銀燒結的各種漿料 [28-29,50] ，目前市場上已有十余家銀燒結漿料的商業供應。以顆粒度論，有納米、亞微米和微米級別；以燒結壓力論，有高壓銀膏、低壓銀膏、無壓銀膏；市面也有金漿料、銅膏料的供應。已有一些中國廠家涉足了銀燒結材料，并與國內大學一起進行了對比驗證。

在不同壓力、溫度（曲線）和環境（氣體）條件下，對不同芯片、基板的表面材質進行銀燒結時，其功效有所不同，這方面的研究也很廣泛。銀燒結工藝研究的參與者有前述的 Fraunhofer 研究協會體系 IZM、IMWS、ISIT 等多個研究所，大學則有 University of Applied Science Kempten、University of Breme、Ferdinand Braun Institut Berlin、卡爾斯魯厄理工學院等。基爾聯合應用大學（University of Applied Sciences Kiel，UASK） 進行了低溫銀燒結工藝生產線的開發；IMWS 和 UASK 還進行了基于銀燒結的高密度高溫微組裝研究，具體有厚銅 PCB 制造工藝、帶有嵌入式元件的混合 PCBA （Printed Circuit Board Assembly）等。參與工藝研究的企業則有HERAEUS、F&K、HESSE 和 DODUCO 等，在測試驗證和建模方面，前述多個大學、研究機構及企業，與 MENTOR等熱力學和電氣模擬軟件廠家合作，同步開展了各種新型工藝的建模及驗證 [19] 。

焊接設備廠商 PINK、BOSCHMAN和 ASM 等開發了從實驗室應用到量產車間使用的自動化銀燒結設備，ZESTRON 開發了用于銀燒結前后進行清洗處理的生產設備。銀燒結技術目前還在發展中，現有的工藝和設備既是對前期研究成果的階段性總結，又是后段持續演進的起點 [19] 。

4.4 銀燒結技術總結

如前所述，納米或微米級的銀粉顆粒材料是一種優異的封裝材料，銀燒結形成的結合面同時具備理想的導電和導熱性能。就工藝過程而言，主要特征表現在兩點： （1）銀是目前唯一可見的當溫度在 200 ℃以上時表面氧化層可以自潔并恢復到純銀狀態的金屬材料，而近年絕大多數銀燒結工藝是在 250 ℃左右進行的，因而可以省略很多燒結前的預處理過程；（2）銀燒結的結合面是融合的，在燒結面形成了柔軟的合金層，可以耐受更大周次的熱電聯合功率循環，因而可靠性更高，壽命更長。當然，純粹的銀粉無法直接進行燒結操作，通常以銀膏或銀漿形式出現，混合有某種化合物或聚合物。除了銀粉本身的純度，銀粉在介質中的分布均勻度、介質在燒結后的殘留狀況也都存在工藝問題；有些研究使用了金粉或銅粉（金膏或銅膏）來代替銀膏進行燒結試驗 [20,41] 。

銀燒結目前的研究涉及到 die Attach、DCB Attach等，效果取決于被燒結的兩個界面的材料及具體銀漿料的特征，還有環境氣體、溫度曲線（升溫、停留時間、降溫等）、壓力等要素。銀燒結的具體方法有熱壓、原位成型、火花等離子、激光燒結、電流燒結等 [45] 。從現有的研究報道來看，在一定壓力下進行的各種銀燒結都可以獲得理想的剪切力值，銀燒結的壓力越大、溫度越高，高溫持續時間越長，燒結的效果越好。但是高溫高壓燒結的制造成本偏高，長時間燒結的產能偏低，而且燒結壓力太高可能對芯片本身帶來潛在的機械損害，進而影響到熱沖擊或熱電聯合循環的壽命周次 [33,45,48] 。

當然目前可見的研究報道，使用的芯片面積都還較小，面積更大芯片（或 DCB）的燒結報道較少，具體工藝條件和過程還需要進一步研究和驗證。die Attach或 DCB Attach 的低壓或無壓銀燒結試驗都還在發展中，多數研究是在 200~300 ℃的溫度范圍內進行的，而這正是大多數普通的表面安裝技術（Surface Mount Technology，SMT）回流焊爐（Reflow Oven）的工作區間。因此，如果未來無壓銀燒結或低壓銀燒結技術可以取得理想的進展，就意味著其制造效率可以顯著提升，制造成本將會大大降低，進入商業化量產應用的門檻就非常低了。筆者認為，未來銀燒結的技術突破將主要集中在以下幾個方向： （1）低溫低壓銀燒結材料的研究； （2）較大面積芯片的銀燒結工藝研究、中間介質的清除等； （3）在前二者基礎上發展出來的全自動化銀燒結制造設備。

5 封裝技術的其他發展

5.1 演進中的模塊疊層構型

基板是功率模塊的芯片載體之一。常見的基板與芯片、散熱底板的連接模式在 IGBT 時代就已經成為了一種定式。近年來在基板的疊層構型方面也出現了新的趨勢，為了提高組裝密度，研究人員開始使用雙面散熱結構，過去單一的芯片底部散熱帶走了大約60%的內耗，但是在芯片頂部的淺近層面，還有 40%的熱量未能及時排出，導致芯片結溫偏高。在 SiC 器件中，導通電阻伴隨結溫升高而增加，其短路耐量只有IGBT 的一半左右，約為 2.5 μs 左右 [3-4] ，因而節溫更容易快速越限。所以改善現有各個結合面的熱阻，或同時減少結合面的數目，也是業界努力的主要方向之一。近年來出現的嵌入式基板概念把芯片及基板都埋入某種載體中，芯片和嵌入基板都使用了雙面銀燒結進行連接，由此來實現雙面散熱，嵌入式基板、雙面空冷散熱的剖面構造見圖 8。更為激進的無基板封裝概念則取消了嵌入基板，芯片通過載體的金屬化層直接連接到散熱體上[42] 。圖中的頂部和底部嵌入基板與散熱器的結合面都使用了熱界面材料，可改善導熱并減緩機械應力。

圖 8 中還出現了Spacer/Spacer Attach 的概念。Spacer 為芯片頂部燒結連接的一個銅質中間件 [2,26,42] ，通過邦定或二次燒結與其他層面進行連接（SpacerAttach）。與低壓和無壓銀燒結的情況類似，這些嵌入疊層結構還處于發展早期，各個報道的細節披露尚不充分。

5.2 模塊封裝的離散化趨勢

為了減小 ETDS 的體積和重量，部分工程師轉向了接近于組裝概念的各種 3D 綜合集成。各種形式的發展分別肇始于混合厚膜電路、微組裝或多芯片封裝等傳統高密度工藝，或這些工藝的混合運用，現在也有一些其他創新的微觀構造型式。過去的 ETDS 常用IGBT 模塊來構建，而電動車企 TESLA 幾年前就用SiC 分立器件實現了全 SiC 版的 ETDS，通過將電氣驅動與電機機體進行某種程度的融合，顯著提高了ETDS 的性價比。圖 9 展示了TESLA 的實際產品設計：非典型模塊和散熱器的剖面構造 [12] 。

近年來更多研究機構和企業介入了這種離散化的研究。卡爾斯魯厄理工學院在進行激光加工及銀燒結等混合制造工藝研究的同時，還嘗試用銅燒結把門級驅動直接結合到功率模塊中去；瑞典的零部件供應商與車企 VOLVO 一起進行了高密度混合封裝的設計研究；University of Applied Sciences Kiel 進行了封裝與模組設計一體化的嘗試。多個商業公司開發了p2Pack（die Embedded PCB Package）、ECP（Embedded Component Package）、OCM （Open Constructure Module）等多種離散型的封裝架構，有些架構允許在PCB表面安裝控制系統零件，而在 PCB 內層嵌入了引線框架，其間的空腔用以容納功率器件、門級驅動及其他分立元器件等 [19] 。

5.3 封裝的高溫化趨勢

為了獲得系統設計所要求的更高功率密度，今天很多工程師不得不把更多的元器件塞入到極為狹小的空間中，造成了單位體積中需要排出熱量的急劇增加，進而要求封裝技術顯著提高導熱散熱能力。另外，為了適應較高環境溫度的應用場景，例如沒有液冷條件的移動功率應用，半導體器件本身就要面對更高結溫的工作條件。因此，除了設法提高導熱散熱能力，功率器件及其驅動器件的封裝不可避免地走向了高溫化。知名技術市場趨勢研究公司 YOLE 早在 2012 年就明確指出，多年來功率電子器件的結溫一直在持續提高 [33] ，YOLE 對功率器件結溫的預測見圖 10。

從圖 10 可以看出，從 1980 年到 2015 年，硅基功率半導體的最高結溫從 100 ℃提高到了 150 ℃；然后由于 WBG 半導體的出現，自 2015 年起，結溫的上升趨勢進一步加速并分化為 2 個分支走向。現在 SiC 器件的結溫普遍到了 175 ℃，到 2025 年將會普及到200 ℃，而到2030 年則會提高到 225 ℃左右 [33] 。SiC 器件本身的最高耐受節溫可以輕易超越 500 ℃，目前常見的 SiC 器件標稱結溫 175 ℃（少數標稱 200 ℃）是由于現有封裝技術的限制所致。

有許多面向未來的應用已推動功率半導體最高結溫的上升。如 2019 年 ORNL 在項目報告中把門級驅動的工作環境溫度提升到 150 ℃作為一項挑戰，原因是為了進一步提高功率密度，ORNL 正在嘗試把逆變器集成到電機端蓋或者電機筒體上 [13,16-18] 。歐洲中小功率的電動助力轉向已經實現了完全的機電融合，為了減小尺寸和重量，柏林技術大學、卡爾斯魯厄理工學院、ZF 公司、YASA 公司等都在努力把ETDS 融合到牽引電機上去 [19] ，所有類似的努力都導致電力牽引驅動越來越靠近作為熱源的電機，而且電機的軸溫也伴隨著轉速在持續提高，因此不僅需要功率器件提高最高耐受結溫，也需要與之匹配的高溫門級驅動方案。

針對結溫持續上升的應用需求并配合 SiC 器件的普及，CISSOID 公司推出了耐高溫的 SiC 門級驅動芯片和方案（CMT 系列 175 ℃結溫，CHT 系列 225 ℃結溫）。CISSOID 長期從事高溫半導體器件的設計制造，其核心技術包括兩個主要方面：第一，高溫芯片技術，基于耐高溫的芯片結構設計及先進的絕緣體上硅（Silicon on Insulator，SoI）制造工藝；其二，高溫封裝技術，其金屬陶瓷封裝的高溫器件系列最高耐受結溫可達 225 ℃以上 [33] 。且與絕大多數硅基器件約 1000 h 的高溫壽命不同，CISSOID 的高溫器件可在 175 ℃結溫條件下長期穩定連續運行達 15 年之久。SiC 等半導體的高功率密度和高溫應用越來越受到重視，這些應用的領域包括但不限于航空應用、電動汽車動力總成深度集成、移動儲能等，將會給整個功率電子產業帶來深刻影響，并推動封裝技術的持續進步。

6 結論

為了應對 SiC 等新型功率半導體帶來的挑戰，封裝技術的發展路線是多徑的。封裝技術的發展是一個綜合的系統工程，牽涉到基礎材料、構型設計、制造工藝及制造裝備，還有測試、驗證及建模等細分領域，有些是基于現有技術和工藝的漸進改良，有些則是另辟蹊徑的超越創新，很多研究工作在細分專業的邊緣展開。封裝技術的發展為充分發揮 SiC 等新型半導體的性能優勢奠定了基礎。

業界正從基礎材料、連接工藝、構造形式等方面展開探索。漸進改良的、混合型的銅基同質連接等基本滿足了目前的需求；要充分發揮 SiC 等 WBG 器件的性能優勢，封裝技術的前沿研究正在尋求革命性的發展。鑒于銀燒結界面極為優異的導電導熱能力、剪切力及寬幅度熱沖擊和功率循環周次能力，今天多數的研究指向了銀燒結技術，特別是低壓和無壓銀燒結的材料和工藝。

模塊封裝的疊層結構創新以及封裝的離散化、高溫化也是新型封裝技術的發展方向，決定了SiC 等器件高功率密度和高溫應用的實現。單一層面的技術改良難以滿足日趨苛刻的應用要求，對于 SiC 器件而言，封裝技術的未來發展方向在于銀燒結工藝、新型疊層結構，以及離散化、高溫化等方面的深度融合。未來5~10 年，作為核心連接技術的銀燒結將會得到充分的發展，其性價比也會逐漸為各種主流應用所接受。

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