摘要

隨著電力電子技術(shù)向高頻、高效、高功率密度方向發(fā)展，碳化硅（SiC）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等功率器件在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在這些功率器件的封裝與連接技術(shù)中，銀燒結(jié)技術(shù)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)逐漸嶄露頭角。本文深入探討了功率器件采用銀燒結(jié)技術(shù)的原因，從銀燒結(jié)技術(shù)的原理出發(fā)，分析了其在熱性能、電性能、機(jī)械性能以及可靠性等方面的優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合SiC和IGBT功率器件的特點(diǎn)，闡述了銀燒結(jié)技術(shù)如何滿足其高性能應(yīng)用需求，同時(shí)對(duì)銀燒結(jié)技術(shù)在功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞

功率器件；銀燒結(jié)技術(shù)；SiC；IGBT；性能優(yōu)勢(shì)

一、引言

在現(xiàn)代工業(yè)和電子設(shè)備中，功率器件作為能量轉(zhuǎn)換與控制的核心元件，其性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的效率、可靠性和穩(wěn)定性。SiC和IGBT作為兩種具有代表性的功率器件，具有高頻、高壓、大電流等優(yōu)異特性，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、智能電網(wǎng)、航空航天等領(lǐng)域。然而，隨著功率器件工作頻率和功率密度的不斷提高，傳統(tǒng)的封裝與連接技術(shù)面臨著諸多挑戰(zhàn)，如熱應(yīng)力導(dǎo)致的失效、接觸電阻過大引起的發(fā)熱問題等。銀燒結(jié)技術(shù)作為一種新興的連接技術(shù)，為解決這些問題提供了有效的途徑，在功率器件領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。

二、銀燒結(jié)技術(shù)原理

銀燒結(jié)技術(shù)是利用銀納米顆粒或微米顆粒在一定的溫度和壓力條件下，通過顆粒間的擴(kuò)散、融合和致密化過程，形成高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱且具有良好機(jī)械強(qiáng)度的連接層。在燒結(jié)過程中，銀顆粒表面的有機(jī)包覆層在高溫下分解，顆粒之間的原子開始相互擴(kuò)散，隨著溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，顆粒逐漸融合，孔隙減少，最終形成連續(xù)的銀連接層。這一過程不涉及鉛、錫等傳統(tǒng)焊料中的金屬間化合物形成，避免了金屬間化合物脆性大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能差等問題。

三、銀燒結(jié)技術(shù)在功率器件中的性能優(yōu)勢(shì)

3.1 卓越的熱性能

3.1.1 高熱導(dǎo)率

功率器件在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果不能及時(shí)有效地散發(fā)出去，會(huì)導(dǎo)致器件溫度升高，進(jìn)而影響其性能和可靠性。銀具有極高的熱導(dǎo)率（約429 W/(m·K)），采用銀燒結(jié)技術(shù)形成的連接層能夠有效地將器件產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去，降低器件的工作溫度。與傳統(tǒng)的錫基焊料（熱導(dǎo)率一般在50 - 70 W/(m·K)左右）相比，銀燒結(jié)連接層的熱阻顯著降低，大大提高了功率器件的散熱效率。例如，在SiC功率模塊中，采用銀燒結(jié)技術(shù)連接芯片和基板，可以使芯片的結(jié)溫降低10 - 20℃，從而提高了模塊的功率輸出能力和可靠性。

3.1.2 良好的熱匹配性

SiC和IGBT等功率器件與封裝基板之間的熱膨脹系數(shù)存在差異，在工作過程中由于溫度變化會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。銀燒結(jié)連接層具有較好的柔韌性和延展性，能夠在一定程度上緩解熱應(yīng)力，減少因熱應(yīng)力引起的開裂和失效問題。同時(shí)，通過調(diào)整銀燒結(jié)材料的成分和工藝參數(shù)，可以使其熱膨脹系數(shù)與功率器件和基板更好地匹配，進(jìn)一步提高功率器件的熱可靠性。

3.2 優(yōu)異的電性能

3.2.1 低接觸電阻

接觸電阻是影響功率器件性能的重要因素之一，過高的接觸電阻會(huì)導(dǎo)致器件發(fā)熱增加、效率降低。銀燒結(jié)連接層具有極低的電阻率（約1.59×10?? Ω·m），能夠顯著降低芯片與基板之間的接觸電阻。與傳統(tǒng)的錫基焊料連接相比，銀燒結(jié)連接層的接觸電阻可以降低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，從而減少了功率損耗，提高了功率器件的轉(zhuǎn)換效率。在IGBT模塊中，采用銀燒結(jié)技術(shù)可以降低模塊的導(dǎo)通損耗，提高模塊的整體性能。

3.2.2 穩(wěn)定的電學(xué)性能

銀燒結(jié)連接層在高溫、高濕等惡劣環(huán)境下具有良好的電學(xué)穩(wěn)定性。由于其連接機(jī)制主要是銀原子之間的擴(kuò)散和融合，不存在傳統(tǒng)焊料中金屬間化合物的生長(zhǎng)和變化問題，因此不會(huì)出現(xiàn)因金屬間化合物性能退化而導(dǎo)致的接觸電阻增大、電遷移等電學(xué)性能下降的現(xiàn)象。這使得采用銀燒結(jié)技術(shù)的功率器件能夠在更寬的溫度范圍和更惡劣的環(huán)境條件下穩(wěn)定工作。

3.3 良好的機(jī)械性能

3.3.1 高剪切強(qiáng)度

銀燒結(jié)連接層具有較高的剪切強(qiáng)度，能夠承受功率器件在工作過程中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。在電動(dòng)汽車等應(yīng)用中，功率器件會(huì)受到頻繁的振動(dòng)和沖擊，銀燒結(jié)連接層可以保證芯片與基板之間的可靠連接，避免因連接失效而導(dǎo)致的器件損壞。實(shí)驗(yàn)表明，銀燒結(jié)連接層的剪切強(qiáng)度可以達(dá)到30 - 50 MPa以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的錫基焊料連接層。

3.3.2 抗疲勞性能

功率器件在工作過程中會(huì)經(jīng)歷多次熱循環(huán)，連接層會(huì)受到交變應(yīng)力的作用，容易產(chǎn)生疲勞損傷。銀燒結(jié)連接層具有良好的抗疲勞性能，能夠在長(zhǎng)期的熱循環(huán)過程中保持穩(wěn)定的機(jī)械性能。這是由于銀燒結(jié)連接層的微觀結(jié)構(gòu)較為均勻，沒有明顯的缺陷和應(yīng)力集中點(diǎn)，能夠有效地分散應(yīng)力，減少疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

3.4 高可靠性

3.4.1 長(zhǎng)期穩(wěn)定性

銀燒結(jié)技術(shù)形成的連接層在長(zhǎng)期使用過程中具有良好的穩(wěn)定性，不會(huì)出現(xiàn)像傳統(tǒng)焊料連接層那樣的老化、蠕變等問題。其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易與周圍環(huán)境中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，能夠保證功率器件在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中的性能和可靠性。這對(duì)于一些對(duì)可靠性要求極高的應(yīng)用領(lǐng)域，如航空航天、核能等，具有重要的意義。

3.4.2 環(huán)保性

與傳統(tǒng)的含鉛焊料相比，銀燒結(jié)技術(shù)是一種環(huán)保的連接技術(shù)。鉛是一種有毒有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境和人體健康會(huì)造成嚴(yán)重危害。銀燒結(jié)材料不含有鉛等有害物質(zhì)，符合環(huán)保要求，有利于推動(dòng)功率器件產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

四、銀燒結(jié)技術(shù)滿足SiC和IGBT功率器件高性能應(yīng)用需求

4.1 SiC功率器件的需求

SiC功率器件具有更高的擊穿電場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)率和更高的電子遷移率等優(yōu)點(diǎn)，能夠在高溫、高壓、高頻等惡劣條件下工作。然而，SiC功率器件的高性能也對(duì)其封裝和連接技術(shù)提出了更高的要求。銀燒結(jié)技術(shù)的高熱導(dǎo)率、低接觸電阻和良好的熱匹配性等特點(diǎn)，能夠滿足SiC功率器件對(duì)散熱和電性能的嚴(yán)格要求。例如，在SiC MOSFET中，采用銀燒結(jié)技術(shù)連接芯片和源極、漏極引線，可以降低芯片的結(jié)溫，提高器件的開關(guān)速度和效率，同時(shí)減少因熱應(yīng)力引起的失效問題。

4.2 IGBT功率器件的需求

IGBT功率器件在大功率應(yīng)用中具有重要的作用，如電動(dòng)汽車的電機(jī)控制器、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變流器等。IGBT模塊在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，需要高效的散熱解決方案。銀燒結(jié)技術(shù)的高熱導(dǎo)率和低接觸電阻能夠有效地提高IGBT模塊的散熱效率，降低模塊的溫升，從而提高模塊的功率輸出能力和可靠性。此外，IGBT模塊在工作過程中會(huì)受到頻繁的開關(guān)操作和機(jī)械振動(dòng)，銀燒結(jié)技術(shù)的高剪切強(qiáng)度和抗疲勞性能能夠保證模塊的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

五、銀燒結(jié)技術(shù)在功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

5.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，銀燒結(jié)技術(shù)已經(jīng)在一些高端功率器件產(chǎn)品中得到了應(yīng)用。例如，部分電動(dòng)汽車制造商已經(jīng)開始在其電機(jī)控制器中采用銀燒結(jié)技術(shù)的IGBT模塊，以提高模塊的性能和可靠性。一些功率器件制造商也在積極研發(fā)和推廣銀燒結(jié)技術(shù)的SiC功率模塊，以滿足市場(chǎng)對(duì)高性能功率器件的需求。

5.2 面臨的挑戰(zhàn)

盡管銀燒結(jié)技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，銀燒結(jié)工藝需要精確控制溫度、壓力和時(shí)間等參數(shù)，對(duì)設(shè)備的要求較高，增加了生產(chǎn)成本。其次，銀的價(jià)格相對(duì)較高，導(dǎo)致銀燒結(jié)材料的成本也較高，限制了其在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用。此外，銀燒結(jié)連接層在長(zhǎng)期使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)銀遷移現(xiàn)象，影響連接層的電學(xué)性能和可靠性，需要進(jìn)一步研究和解決。

六、銀燒結(jié)技術(shù)在功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用前景展望

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的逐漸降低，銀燒結(jié)技術(shù)在功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。未來，可以通過優(yōu)化銀燒結(jié)工藝，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。例如，開發(fā)新型的銀燒結(jié)設(shè)備和工藝，實(shí)現(xiàn)快速、低溫?zé)Y(jié)，減少能源消耗和生產(chǎn)時(shí)間。同時(shí)，可以研究銀燒結(jié)材料與其他材料的復(fù)合技術(shù)，降低銀的使用量，降低成本。此外，加強(qiáng)對(duì)銀遷移現(xiàn)象的研究，開發(fā)有效的抑制措施，提高銀燒結(jié)連接層的長(zhǎng)期可靠性。

在SiC和IGBT等功率器件向更高性能、更高功率密度發(fā)展的趨勢(shì)下，銀燒結(jié)技術(shù)將發(fā)揮越來越重要的作用。預(yù)計(jì)在未來幾年內(nèi)，銀燒結(jié)技術(shù)將在更多的功率器件產(chǎn)品中得到應(yīng)用，推動(dòng)功率器件產(chǎn)業(yè)向高頻、高效、高可靠性方向發(fā)展。

七、結(jié)論

銀燒結(jié)技術(shù)憑借其卓越的熱性能、優(yōu)異的電性能、良好的機(jī)械性能和高可靠性等優(yōu)勢(shì)，在SiC和IGBT等功率器件中具有廣闊的應(yīng)用前景。它能夠滿足功率器件在高溫、高壓、高頻等惡劣工作條件下的性能需求，提高功率器件的散熱效率、轉(zhuǎn)換效率和可靠性。盡管目前銀燒結(jié)技術(shù)在應(yīng)用中還面臨一些挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，這些問題將逐步得到解決。未來，銀燒結(jié)技術(shù)有望成為功率器件封裝與連接的主流技術(shù)之一，為電力電子技術(shù)的發(fā)展提供有力支持。