01SiC模块中哪些地方需要用到纳米银/纳米铜烧结技术？

对于一个碳化硅模块来说，或者对一个功率器件来说，我们知道，芯片的正面和芯片的背面，首先是涉及到互连的，银烧结或者铜烧结最早是应用在芯片的背面，跟AMB基板进行互连。随着电流的增加，传统的铝线已经不能满足需求，在芯片正面打铜线或者用铜带互连是理想的选择。同时对于AMB板和散热板之间，就是系统级烧结，现在用的是锡焊料技术，国内很多车企和模块封装厂都在积极尝试用大面积烧结技术实现互连，来满足模块高可靠封装的要求。

图1 纳米银烧结技术在sic芯片封装的应用

02为什么银烧结技术可以替代传统锡焊料

对于IGBT，目前芯片互连主要用的是锡的回流焊。然而，对于焊锡来说，使用温度永远在焊接的温度之下。对于烧结来说，就没有这个烦恼，烧结利用的是纳米颗粒的尺寸效应，将金属材料做到纳米和微米的尺度以后，对它施加温度、压力和时间三个驱动力以后，让它形成烧结体，就是业界经常说的低温连接、高温服役，也就是说可以在180-250度下去互连，可以在200甚至500度以上使用。贵金属银具有优异的导电、导热性能，此外还具有很好的抗氧化性，其氧化物高温可自行动态分解，是当前纳米金属烧结技术的首先金属材料。

图2 纳米金属烧结互连原理

03铜烧结与银烧结相比有哪些优势？

我们都知道银是贵金属，未来随着碳化硅芯片成本的降低，封装成本会占比越来越高，这一块虽然大家对银烧结的成本现在没有那么在意，随着大面积烧结的应用，随着芯片成本的降低，大家一定会关心它的成本问题。为什么大家现在都在关注铜烧结？我们将贵金属银换成铜以后，整个模块的CTE会更匹配一些，第二个成本相比于银烧结要低很多，但是银和铜的导电性、导热性是几乎接近的。此外，银烧结工艺为了保证质量，通常在AMB基板上做一个选择性镀银，提高了成本。如果做系统级烧结的时候还需要再镀银，这个时候就很麻烦，面积非常大，成本就非常高。再一个就是可靠性，已经有一些研究表明，在功率循环的测试当中，铜烧结表现出跟银烧结不一样的失效形式和不同的循环寿命。

图3清连铜烧结剪切强度（芯片镀层Ag，氮气气氛15MPa，5min）

04如何解决铜烧结存在的氧化问题？

对于铜烧结来说最大的问题就是氧化的问题，尤其是当尺度到了纳米尺度以后。从铜烧结使用的方式上来说，主要从两个途径来解决它的氧化问题，一个是从膏体本身的配方上，就是从材料端，第二个是从设备端，设备端要保证有防氧化的能力。还有一个更好的方案，我们知道在烧结的前道工序，有预热，有热贴，都会带来温度和氧气，如果这个时候氧化了怎么办呢？如果烧结设备有一定的还原能力，这个时候对铜烧结来说，就可以做出更高质量的产品。现在铜烧结可以说是呼之欲出，国内外的厂商都在做积极的尝试，包括我们和国内的功率模块厂商，最长的合作时间已经达到了两年，现在也进入等待量产阶段。

图4 纳米铜氧化与还原效果前后对比

05无压烧结与有压烧结的区别是什么？

现在碳化硅的模块基本没有在用无压银烧结，大家经常问不加压行不行？无压烧结通常用的是点胶方式，相比于有压烧结，顾名思义就是在烧结的时候不需要辅助压力，不给它辅助压力以后，其烧结体孔隙率较高，可靠性低于有压烧结。目前无压烧结适用的芯片尺寸还比较小，大了以后容易产生孔洞等缺陷。目前在碳化硅二极管、射频器件等得到了一定的应用。无压烧结在芯片正面互连用的铜夹（Clip），有很大的潜力，目前我们正在积极配合客户做这一块的验证，铜夹（Clip）加烧结工艺有望进一步提升模块的可靠性。

图5 无压烧结产品使用与烧结互连后截面组织

06纳米银/纳米铜烧结技术国产化难度如何？

银/铜烧结技术是SiC为代表的⾼性能芯⽚封装的⾼⻔槛核⼼技术。清连科技致力于高性能芯片高可靠封装解决方案，是一家产业巨头投资并孵化的企业，拥有数十名研发人员，其中有4名核⼼研发⼈员博⼠毕业于清华⼤学，属于国际上最早研究银/铜烧结技术团队之⼀，其产品已全面覆盖了当前市面所有纳米金属烧结技术相关产品。已与众多头部企业深度技术合作、产品开发，有望实现⾼端封装材料与装备全国产化替代。依托近20年银/铜烧结材料与设备研发基础，清连科技⾃主开发了对标欧美产品的银烧结材料与设备，并解决了当前银烧结存在的痛点；此外是国内外极少数掌握铜烧结全套解决⽅案（封装材料+封装装备+⼯艺）的半导体公司之⼀，并拥有丰富的器件可靠性评价经验。