这是一个非常核心且关键的制造环节，因为它直接决定了电力电子器件（如IGBT、SiC MOSFET、GaN HEMT等）的性能、可靠性、寿命和工作温度。
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为什么电力电子芯片焊接如此重要？
与普通信息处理的芯片（CPU、GPU）不同，电力电子芯片工作在高电压、大电流、高功率密度和高温的严苛环境下，芯片与基板之间的焊接层（或称“互连层”）面临着巨大挑战：
- 高热流密度：芯片工作时产生大量热量，焊接层是热量从芯片传导到散热器的核心路径，如果焊接层热阻高,芯片就会因过热而失效。
- 巨大的热机械应力：芯片、焊接层、基板和封装外壳的材料热膨胀系数不同，在器件工作时的温度循环（开机-关机）中，这种差异会在焊接层内部产生巨大的剪切应力和拉伸应力，导致疲劳、裂纹甚至分层。
- 高电流密度：大电流流过焊接层时，会产生焦耳热，如果焊接层存在虚焊、空洞或电阻过大，就会形成局部热点，进一步加剧热应力,形成恶性循环。
- 长期可靠性要求：电动汽车、光伏逆变器、工业驱动等应用要求器件能稳定工作10-20年,焊接层必须在整个生命周期内保持完整和低电阻。
一个优良的焊接技术，必须确保：
- 极低的接触热阻：高效散热。
- 极低的接触电阻：降低功率损耗。
- 极高的机械强度：抵抗热机械应力。
- 出色的长期可靠性：在各种环境应力下保持稳定。
主流的电力电子芯片焊接技术
行业内主流的焊接技术主要分为两大类：硬钎焊和软钎焊，以及近年来兴起的烧结技术。
硬钎焊
硬钎焊的焊接温度通常高于450°C，使用的焊料熔点较高，在电力电子领域，它主要用于芯片与直接覆铜陶瓷基板的连接。
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- 常用焊料：银铜焊料，如Ag72Cu（共晶点779°C），有时也使用AuSn（金锡）焊料。
- 工作原理：在高温和惰性气体（如氮气）保护下，将芯片、焊料片和DBC基板一同加热，焊料熔化后,通过润湿作用在芯片背面和DBC铜层之间形成牢固的冶金结合。
- 优点：
- 结合强度高：形成的接头非常坚固。
- 工作温度高：可以承受芯片本身的高温。
- 缺点：
- 工艺温度高：需要高温炉，能耗大,且对芯片和DBC基板的热冲击大。
- 热应力大：硬焊料本身较脆,CTE差异导致的热应力问题依然存在。
- 热阻相对较高：相比烧结技术,其热阻稍大。
软钎焊
软钎焊的焊接温度低于450°C,是应用最广泛的传统技术。
- 常用焊料：锡基焊料，如SnAgCu（无铅焊料，熔点217-227°C）或传统的SnPb焊料（熔点183°C）。
- 工作原理：通过回流焊或波峰焊等方式，将熔融的锡基焊料涂覆在芯片背面（通常有镀层，如Ni/Au或Ti/Ni/Ag）和基板（如DBC、AMB）上,形成合金层实现连接。
- 优点：
- 工艺温度低：对芯片和基板的热冲击小，工艺窗口宽,易于操作。
- 成本较低：焊料和设备成本相对较低。
- 导电导热性尚可：能满足大多数传统应用需求。
- 缺点：
- 工作温度上限低：锡基焊料在150°C以上就会发生明显的蠕变和疲劳，导致可靠性急剧下降,这是其最大的瓶颈。
- 热可靠性差：在高温功率循环下,容易产生裂纹和空洞。
- 热阻较高：其热阻高于硬钎焊和烧结技术。
烧结技术
这是近年来为应对SiC、GaN等宽禁带半导体的高温需求而发展起来的革命性技术，被誉为“下一代互连技术”。
- 常用材料：银烧结，使用微米级或纳米级的银颗粒，加上有机粘合剂,制成银膏或银片。
- 工作原理：在较低的压力（几MPa）和相对较低的温度（通常为200-300°C）下，通过加热使银颗粒之间的有机物挥发，同时银颗粒发生扩散和再结晶，形成类似“冷焊”的致密、多孔的银网络结构，这个过程也称为低温烧结。
- 优点：
- 超低热阻：烧结银层的热阻远低于所有焊料,是已知最好的热界面材料之一。
- 超低电阻：导电性极佳,接近块体银。
- 优异的机械性能：烧结银层具有一定的延展性，能很好地吸收和缓解热机械应力,抗疲劳性能极佳。
- 耐高温：可以稳定工作在芯片的最高结温（SiC可达175°C，甚至更高）。
- 缺点：
- 成本高昂：银材料价格贵，且需要施加压力,设备成本高。
- 工艺复杂：对工艺参数（温度、压力、时间、气氛）控制要求非常严格。
- 多孔性：虽然多孔性有助于吸收应力，但孔隙也可能成为腐蚀的路径,需要良好的密封。
技术对比与选型
| 特性 | 软钎焊 | 硬钎焊 | 银烧结 |
|---|---|---|---|
| 焊接温度 | 低 (200-250°C) | 高 (>450°C) | 中 (200-300°C) |
| 工作温度上限 | ~150°C | >200°C | >300°C |
| 热阻 | 较高 | 中等 | 极低 |
| 电阻 | 较高 | 中等 | 极低 |
| 结合强度 | 中等 | 高 | 高 |
| 抗热疲劳性 | 差 | 一般 | 极佳 |
| 成本 | 低 | 中等 | 高 |
| 工艺复杂度 | 简单 | 中等 | 复杂（需加压） |
| 主要应用 | 传统Si IGBT模块、中低端应用 | 高端Si IGBT、部分SiC模块 | SiC/GaN模块、高功率密度模块 |
如何选型？
- 对于传统的硅基IGBT模块：软钎焊 仍然是主流选择，因为它成本低、工艺成熟，足以满足其在150°C以下的工作环境。
- 对于高端或高可靠性要求的IGBT模块：可能会采用硬钎焊,以获得更高的工作温度和可靠性。
- 对于碳化硅和氮化镓等宽禁带半导体模块：银烧结技术 几乎是必然选择，因为SiC/GaN芯片本身的工作温度和功率密度远超传统Si器件，只有烧结技术才能满足其低热阻、低电阻和超高可靠性的要求，是实现高功率密度、高效率模块封装的关键。
新兴技术与发展趋势
- 铜烧结：为了降低成本，研究人员正在积极开发铜烧结技术，铜的价格远低于银，但其表面极易氧化，需要在惰性或还原性气氛中进行烧结，工艺难度更大,是目前的研究热点。
- 纳米银烧结工艺优化：通过优化银颗粒大小、形状、粘合剂配方以及烧结工艺曲线，进一步降低烧结温度、减少压力需求,提升烧结层的均匀性和可靠性。
- 瞬时液相连接：这是一种介于钎焊和烧结之间的技术，它使用多层金属（如Cu/In/Cu），在较低温度下形成少量液相，通过原子扩散形成高熔点的金属间化合物，最终实现与硬钎焊相当的高温可靠性,但工艺温度更低。
- 直接键合技术：如金属-直接-键合，通过在陶瓷基板（如Al2O3, AlN）上直接电镀厚铜层，然后在高温高压下将芯片与铜层直接键合，完全取消了焊接层，理论上可以获得最低的热阻和最高的可靠性,但技术难度和成本极高。
电力电子芯片焊接技术正随着功率半导体材料（从Si到SiC/GaN）的革新而不断演进。软钎焊因其经济性仍是中低端应用的主力；硬钎焊在特定高可靠性Si模块中占据一席之地；而银烧结技术则凭借其无与伦比的性能，成为了支撑下一代高功率、高效率、高可靠性电力电子器件发展的基石，随着成本的下降和工艺的成熟,烧结技术必将在更广泛的领域取代传统焊料。
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