【導讀】功率模塊是現代工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的組件，它們負責高效、可靠地進(jìn)行電能的轉換和控制。這些模塊直接影響到一個(gè)系統的性能、效率和耐用性，是各類(lèi)電子設備和系統中關(guān)鍵的技術(shù)基礎。
引言：
功率模塊是現代工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的組件，它們負責高效、可靠地進(jìn)行電能的轉換和控制。這些模塊直接影響到一個(gè)系統的性能、效率和耐用性，是各類(lèi)電子設備和系統中關(guān)鍵的技術(shù)基礎。在現代工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域中，功率模塊主要應用在以下幾個(gè)場(chǎng)景：
可再生能源：在太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源系統中，功率模塊用于有效轉換和調配從自然資源中采集到的能量。例如，將太陽(yáng)能板產(chǎn)生的直流電轉換為可用于家庭或輸送至電網(wǎng)的交流電。
電動(dòng)汽車(chē) (EVs)：功率模塊在電動(dòng)汽車(chē)中用于管理電池提供的電能，支持電動(dòng)機的高效運行。它們幫助優(yōu)化電能的使用，延長(cháng)電池壽命，并提高整車(chē)性能。
工業(yè)自動(dòng)化與控制系統：在自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)和機器人技術(shù)中，功率模塊控制電機和其他機械設備的功率供應，確保精確和可靠的操作，從而提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
電力傳輸和分配：功率模塊在智能電網(wǎng)中扮演重要角色，用于電能的高效分配和管理。它們支持電網(wǎng)的穩定運行，通過(guò)優(yōu)化電力流向減少能源浪費，并應對不斷變化的負載需求。
消費電子產(chǎn)品：在更廣泛的消費電子領(lǐng)域內，功率模塊同樣重要。它們在確保設備如筆記本電腦、智能手機和平板電腦等穩定運行和電源效率方面起著(zhù)關(guān)鍵作用。
功率模塊作為電力電子技術(shù)的核心，不僅通過(guò)優(yōu)化電能使用效率和確保操作可靠性支持現代工業(yè)的發(fā)展，也在環(huán)境保護和資源效率方面發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步和新應用的開(kāi)發(fā)，功率模塊的重要性在未來(lái)將會(huì )進(jìn)一步增加。
為什么選擇燒結銀：
傳統功率模塊中，芯片通常通過(guò)錫焊材料連接到基板。在熱循環(huán)過(guò)程中，連接界面通過(guò)形成金屬間化合物層完成芯片、錫焊料合金與基板的互聯(lián)。目前電子封裝中常用的無(wú)鉛焊料熔點(diǎn)低于250℃，適用于低于150℃的服役溫度。然而，在175-200℃乃至更高的使用溫度下，這些連接層的性能將急速下降甚至熔化，嚴重影響模塊的正常運行和長(cháng)期可靠性。
隨著(zhù)國內新能源汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，使用碳化硅MOSFET替換傳統硅基IGBT成為行業(yè)主流，從傳統功率模塊轉型到碳化硅功率模塊，對功率電子模塊及其封裝工藝提出了更高的要求，尤其是芯片與基板的連接技術(shù)在很大程度上決定了功率模塊的壽命和可靠性。傳統的錫焊料由于熔點(diǎn)低、導熱性差，難以滿(mǎn)足封裝高功率器件在高溫和高功率密度條件下的應用需求。隨著(zhù)芯片工作溫度要求的不斷提升，至175°C甚至更高，連接材料的機械和熱性能要求也隨之提升。傳統方法中常見(jiàn)使用錫焊將芯片做貼裝的封裝技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足大部分碳化硅模塊的應用需求。
銀燒結技術(shù)也被稱(chēng)為低溫連接技術(shù)（Low temperature joining technique,LTJT），作為一種新型無(wú)鉛化芯片互連技術(shù)，可在低溫（＜250℃）條件下獲得耐高溫（＞300℃）和高導熱率（＞200 W/m·K）的燒結銀芯片連接界面，燒結銀的獨特優(yōu)勢主要表現在三個(gè)方面：①高工作溫度—燒結銀的工作溫度可達到300℃，甚至更高；②高熱導率—對于碳化硅模塊這類(lèi)小尺寸、高功率應用，能夠有效導出熱量，提高功率密度；③高可靠性—其在汽車(chē)應用中的車(chē)規級要求極為嚴格，燒結銀的高熔點(diǎn)、低蠕變傾向為整體系統提供了卓越的穩定性。因此燒結銀非常適合碳化硅功率模塊的封裝，完美滿(mǎn)足了其對高工作溫度、高功率密度和高可靠性的嚴格要求。
圖①：為什么選擇燒結銀—日益增長(cháng)的功率密度。
圖②：功率模塊封裝形式的變化
什么是銀燒結？
銀燒結技術(shù)是一種對微米級及以下的銀顆粒在250℃左右進(jìn)行燒結，通過(guò)原子間的擴散從而實(shí)現良好連接的技術(shù)，如下圖，燒結過(guò)程中未發(fā)生金屬熔化。所用的燒結材料的基本成分是銀顆粒，根據粒徑不同可分為微米粉和納米粉，根據燒結后是否有有機物殘留可分為全燒結和半燒結。
圖③：燒結和錫焊的區別
燒結原理
在燒結過(guò)程中，隨著(zhù)不斷升溫，溶劑和涂層最先揮發(fā)分解，銀顆粒通過(guò)彼此接觸形成燒結頸，銀原子通過(guò)擴散遷移到燒結頸區域，從而燒結頸不斷長(cháng)大，相鄰銀顆粒之間的距離逐漸縮小，形成連續的孔隙網(wǎng)絡(luò )，隨著(zhù)燒結過(guò)程的進(jìn)行，孔洞逐漸變小，燒結密度和強度顯著(zhù)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。
圖④：燒結過(guò)程示意圖
賀利氏燒結銀產(chǎn)品
賀利氏作為德國歷史悠久的企業(yè)，一直致力于保持材料技術(shù)的創(chuàng )新與可持續發(fā)展。自2007年起，賀利氏在燒結銀材料的研發(fā)與生產(chǎn)方面走在行業(yè)前沿，提供多款產(chǎn)品以適應各種封裝需求。早期開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品mAgic ASP043主要面向表面鍍金或鍍銀的界面。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)需求的變化，越來(lái)越多的用戶(hù)對裸銅表面的燒結提出了需求。新一代產(chǎn)品mAgic PE338不但可以在金銀表面進(jìn)行燒結，也可以在裸銅表面上進(jìn)行燒結。隨著(zhù)碳化硅應用的增多，碳化硅芯片與基板材料之間的熱膨脹差異成為了一個(gè)重要問(wèn)題。為了適應不同材料之間的熱膨脹，賀利氏在mAgic PE338的基礎上開(kāi)發(fā)出新的mAgic PE338-28 F1510版本，其熱膨脹系數更加接近于碳化硅芯片，極大提高了碳化硅產(chǎn)品的可靠性。
圖⑤：賀利氏燒結銀產(chǎn)品
賀利氏燒結銀的優(yōu)勢
賀利氏作為燒結材料的引領(lǐng)者，在形形色色的同類(lèi)產(chǎn)品中，賀利氏的燒結銀到底有哪些優(yōu)勢呢，下面我為大家一一介紹：
圖⑥：不同銀顆粒尺寸及形貌差異
①成本優(yōu)勢--區別于友商所使用的納米銀顆粒，賀利氏所使用的為片狀微米銀顆粒，相比之下，微米級銀粉具有更高的產(chǎn)量和更低的工藝難度，成本上比納米粉具有更大的優(yōu)勢。
②批次穩定性高--使用微米銀顆粒不僅帶來(lái)成本上的優(yōu)勢，也避免了納米粉極易團聚和批次間差異大的問(wèn)題，使得賀利氏的燒結銀批次穩定性極高。
③生物安全性--同時(shí)由于納米材料的生物毒性問(wèn)題，極易透過(guò)皮膚和黏膜進(jìn)入體內，可能會(huì )導致細胞損傷、基因突變甚至癌變等嚴重后果，賀利氏采用微米粉材料，從根本上避免了納粉末對人體、環(huán)境的危害。
④燒結強度高--賀利氏使用特殊工藝，將銀顆粒研磨成片狀粉末，相較于球形顆粒的點(diǎn)接觸，片狀結構大大增加了燒結過(guò)程中相鄰銀粉的接觸面積，使得賀利氏的微米粉可以達到超越納米粉的燒結強度。
⑤高可靠性--針對SiC芯片應用場(chǎng)景，賀利氏推出帶填料的高可靠性版本(F1510)燒結銀，可靠性（TST）可提升2.5倍以上。SiC的CTE與Si相似，但楊氏模量更高，在相同的熱機械載荷下，碳化硅芯片的應力更高。在燒結銀中添加非銀填充材料可降低燒結膏體的CTE，大大提高了SiC芯片下的燒結層的可靠性。如下圖，在經(jīng)過(guò)1000次溫度循環(huán)后(TST, -65℃/+150℃)，不含填料的燒結層出現分層現象，分層現象隨著(zhù)熱循環(huán)次數的增加而顯著(zhù)增加；而帶填料的燒結層，即使在2500次循環(huán)后，也沒(méi)有觀(guān)察到明顯的分層。
圖⑦：SiC芯片不同燒結銀在SiC芯片應用上的可靠性對比
結語(yǔ)
賀利氏作為一家專(zhuān)業(yè)的材料供應商，在銀燒結領(lǐng)域深耕多年，自2007年起，賀利氏在燒結銀材料的研發(fā)與生產(chǎn)方面走在行業(yè)前沿，跟隨市場(chǎng)變化不斷推陳出新，在滿(mǎn)足產(chǎn)品性能的基礎上，不斷優(yōu)化產(chǎn)品配方，提供多款產(chǎn)品以適應各種封裝需求。從mAgic ASP043、mAgic PE338，到針對碳化硅應用的mAgic PE338-28 F1510，賀利氏電子持續推動(dòng)技術(shù)革新以滿(mǎn)足市場(chǎng)的多樣化需求。
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