引言:

功率模塊是現代工業和技術領域不可或缺的組件,它們負責高效、可靠地進行電能的轉換和控制。這些模塊直接影響到一個系統的性能、效率和耐用性,是各類電子設備和系統中關鍵的技術基礎。在現代工業和技術領域中,功率模塊主要應用在以下幾個場景:

可再生能源:在太陽能和風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,將太陽能板產生的直流電轉換為可用于家庭或輸送至電網的交流電。

電動汽車 (EVs):功率模塊在電動汽車中用于管理電池提供的電能,支持電動機的高效運行。它們幫助優化電能的使用,延長電池壽命,并提高整車性能。

工業自動化與控制系統:在自動化生產線和機器人技術中,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,從而提升生產效率和產品質量。

電力傳輸和分配:功率模塊在智能電網中扮演重要角色,用于電能的高效分配和管理。它們支持電網的穩定運行,通過優化電力流向減少能源浪費,并應對不斷變化的負載需求。

消費電子產品:在更廣泛的消費電子領域內,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關鍵作用。

功率模塊作為電力電子技術的核心,不僅通過優化電能使用效率和確保操作可靠性支持現代工業的發展,也在環境保護和資源效率方面發揮著越來越重要的作用。隨著技術的進步和新應用的開發,功率模塊的重要性在未來將會進一步增加。

為什么選擇燒結銀:

傳統功率模塊中,芯片通常通過錫焊材料連接到基板。在熱循環過程中,連接界面通過形成金屬間化合物層完成芯片、錫焊料合金與基板的互聯。目前電子封裝中常用的無鉛焊料熔點低于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期可靠性。

隨著國內新能源汽車工業的發展,使用碳化硅MOSFET替換傳統硅基IGBT成為行業主流,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低、導熱性差,難以滿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。傳統方法中常見使用錫焊將芯片做貼裝的封裝技術已經無法滿足大部分碳化硅模塊的應用需求。

銀燒結技術也被稱為低溫連接技術(Low temperature joining technique,LTJT),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(>300℃)和高導熱率(>200 W/m·K)的燒結銀芯片連接界面,燒結銀的獨特優勢主要表現在三個方面: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—其在汽車應用中的車規級要求極為嚴格,燒結銀的高熔點、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?

銀燒結技術是一種對微米級及以下的銀顆粒在250℃左右進行燒結,通過原子間的擴散從而實現良好連接的技術,如下圖,燒結過程中未發生金屬熔化。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

在燒結過程中,隨著不斷升溫,溶劑和涂層最先揮發分解,銀顆粒通過彼此接觸形成燒結頸,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。

圖④:燒結過程示意圖

賀利氏燒結銀產品

賀利氏作為德國歷史悠久的企業,一直致力于保持材料技術的創新與可持續發展。自2007年起,賀利氏在燒結銀材料的研發與生產方面走在行業前沿,提供多款產品以適應各種封裝需求。早期開發的產品mAgic ASP043主要面向表面鍍金或鍍銀的界面。隨著技術的發展和市場需求的變化,越來越多的用戶對裸銅表面的燒結提出了需求。新一代產品mAgic PE338不但可以在金銀表面進行燒結,也可以在裸銅表面上進行燒結。隨著碳化硅應用的增多,碳化硅芯片與基板材料之間的熱膨脹差異成為了一個重要問題。為了適應不同材料之間的熱膨脹,賀利氏在mAgic PE338的基礎上開發出新的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品的可靠性。

圖⑤:賀利氏燒結銀產品

賀利氏燒結銀的優勢

賀利氏作為燒結材料的引領者,在形形色色的同類產品中,賀利氏的燒結銀到底有哪些優勢呢,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量和更低的工藝難度,成本上比納米粉具有更大的優勢。

②     批次穩定性高--使用微米銀顆粒不僅帶來成本上的優勢,也避免了納米粉極易團聚和批次間差異大的問題,使得賀利氏的燒結銀批次穩定性極高。

③     生物安全性--同時由于納米材料的生物毒性問題,極易透過皮膚和黏膜進入體內,可能會導致細胞損傷、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接觸,片狀結構大大增加了燒結過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,在經過1000次溫度循環后(TST, -65℃/+150℃),不含填料的燒結層出現分層現象,分層現象隨著熱循環次數的增加而顯著增加;而帶填料的燒結層,即使在2500次循環后,也沒有觀察到明顯的分層。

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

賀利氏作為一家專業的材料供應商,在銀燒結領域深耕多年,自2007年起,賀利氏在燒結銀材料的研發與生產方面走在行業前沿,跟隨市場變化不斷推陳出新,在滿足產品性能的基礎上,不斷優化產品配方,提供多款產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技術革新以滿足市場的多樣化需求。