導讀：

隨著功率電子器件向更高功率密度、更高頻率、更高可靠性的方向發(fā)展，電子封裝技術面臨前所未有的挑戰(zhàn)。芯片與基板、基板與底板之間的大面積連接成為封裝技術的關鍵環(huán)節(jié)，需要保證界面散熱和機械強度。

傳統(tǒng)焊接技術在高溫環(huán)境下存在熱膨脹和失效問題，難以滿足高功率電子器件的高溫、高可靠性需求。

燒結技術作為一種無鉛、環(huán)保且高性能的互連方式，具有優(yōu)異的熱導率、電導率以及在高溫環(huán)境中的可靠性。特別是在第三代半導體材料（如碳化硅和氮化鎵）的應用推動下，以銀和銅燒結材料為代表的燒結貼裝技術成為滿足高功率電子封裝需求的關鍵解決方案，展現出極大的應用潛力。

在功率模塊中，燒結技術主要應用于芯片基板貼裝、芯片頂部燒結（取代傳統(tǒng)鋁線鍵合）、基板與散熱器的互連等。目前，燒結連接技術正從小面積芯片的貼裝向大面積模塊的互連發(fā)展。

大面積燒結技術在功率電子封裝領域受到關注，但不同研究對于大面積燒結的定義存在差異。這種差異源于材料特性、應用場景以及工藝挑戰(zhàn)的不同。在大面積燒結中，金屬的顆粒尺寸、燒結工藝的控制以及熱力學條件等因素對接頭性能有著至關重要的影響，需要進一步研究以解決厚度控制、缺陷控制、殘余應力、翹曲控制和氧化等問題。

大面積燒結-定義

大面積燒結技術是指在高功率電子封裝中，用于實現芯片、基板或散熱器等大面積部件互連的技術。燒結過程通過低于材料熔點的溫度和壓力，使燒結材料顆粒結合，形成致密的連接層，以滿足高功率、高可靠性和高散熱性能的需求。

大面積燒結-標準

1、燒結面積的界定

不同研究對大面積燒結的定義存在差異：

（1）CHEN等人將燒結面積大于100mm2視為大面積燒結。

（2）TAN等人將面積大于500mm2甚至更大的燒結面積歸類為大面積燒結。

（3）產業(yè)界在2023年的PCIM Europe會議上將大面積燒結的尺寸范圍界定為15mm×20mm至大于40mm×40mm，反映了實際封裝需求，特別是在高功率密度和散熱性能要求較高的應用場景中。

本文選取100mm2作為大面積燒結的起點標準，因為100mm2的燒結面積足以反映燒結過程中熱應力、翹曲等工藝特征，同時為燒結材料設計和低溫燒結工藝優(yōu)化提供重要參考。以100mm2為起點的研究結果具備較強的可擴展性，能夠為逐步擴大至200mm2、500mm2甚至800mm2以上的研究提供技術基礎與方法指導。

2、燒結材料的特性

銀燒結：銀燒結材料因其優(yōu)異的導電性、導熱性和低溫燒結特性，成為高功率電子封裝的理想選擇。納米銀顆粒在較低溫度下即可實現燒結致密化，但易形成孔洞；微米銀顆粒則能在一定程度上減少孔洞問題，提高可靠性。

銅燒結：銅燒結材料由于成本低廉且導熱性能優(yōu)良，被視為銀的經濟性替代品。但銅在燒結過程中易氧化，需要特殊的表面處理或抗氧化技術。

3、燒結工藝的優(yōu)化

溫度與壓力：大面積燒結通常需要在較低溫度和壓力下進行，以降低設備要求和成本。例如，銀燒結可在250℃左右完成，壓力控制在5MPa以下。

無壓燒結：通過優(yōu)化漿料配方和表面處理條件，無壓燒結技術可以在無壓力下實現大面積連接，進一步降低生產成本。

大面積燒結-研究進展

隨著電子封裝對高功率密度、可靠性和散熱性能的需求提升，大面積銀/銅燒結技術逐漸成為關鍵研究方向。這些材料以其優(yōu)異的導電、導熱性能以及高溫穩(wěn)定性在一定程度上逐步替代了傳統(tǒng)焊接材料，展現出廣闊的應用場景。以下將從金屬顆粒尺寸、有機溶劑調控和表面處理能力、印刷工藝、燒結工藝以及可靠性評估等方面進行梳理分析。

1金屬顆粒

金屬顆粒尺寸在大面積燒結過程中發(fā)揮著重要作用，直接影響燒結層的致密性、力學性能及熱傳導性能。在燒結工藝中，顆粒尺寸決定了燒結過程中的傳質行為、顆粒間結合方式以及最終接頭的微觀結構和性能。選擇微米級和納米級顆粒在大面積燒結中各有其優(yōu)勢和局限。

1、納米顆粒

納米銀顆粒因其高表面能，在較低溫度下即可實現燒結致密化，適用于對溫度敏感的基板或芯片互連。然而，納米銀顆粒在燒結過程中易形成孔洞和裂紋，導致剪切強度不穩(wěn)定，限制了其在大面積燒結中的應用。

2、微米顆粒

微米銀顆粒成本較低，且在燒結過程中形成的微米級孔隙結構有助于去除有機物質，減少因有機物揮發(fā)導致的孔洞問題，從而在大面積互連中實現更高的可靠性。

3、混合顆粒

采用微米/納米混合顆粒的銀漿料可以結合兩者的優(yōu)點，提高燒結層的致密性和剪切強度。例如，微米/納米復合銀漿料在250℃下可實現≥100mm2功率芯片的高質量燒結，獲得高剪切強度（33.6MPa）。

2有機溶劑的調控和表面處理

銀燒結技術因其技術發(fā)展較為成熟，近年來研究的重點主要集中在對有機溶劑體系的優(yōu)化方面，以減少傳統(tǒng)溶劑殘留帶來的負面影響。由于銅在燒結過程中易受到氧化的影響，因而對于銅燒結技術的研究重點更多集中在顆粒的表面改性處理上。

1、有機溶劑體系優(yōu)化

有機溶劑的選擇會影響漿料的分散性、流變性和最終燒結層的致密性。一般而言，有機溶劑可以促進銀顆粒的分散，防止燒結過程中團聚現象的發(fā)生。而傳統(tǒng)有機溶劑難以完全去除，導致燒結后有機物殘留在接頭中，削弱界面強度并增加孔隙率。

為了優(yōu)化有機溶劑對燒結質量的影響，新型溶劑的引入（如α-松油醇）可以提高銀顆粒的重排效率和界面接觸程度，加速銀分子的擴散，提升大面積銀燒結層的結合強度和長期可靠性。

無溶劑燒結技術同樣吸引了廣泛關注，尤其適用于對有機溶劑敏感的應用場景。無溶劑燒結技術通過脈沖激光沉積（PLD）等方法，無需額外去除有機物，簡化了燒結后的清潔工藝，降低了制造成本。

無溶劑大面積燒結的芯片連接示意圖

2、銅顆粒的表面處理

銅在燒結過程中易氧化，因此表面處理是提升燒結層性能的關鍵。例如，基于甲酸的銅顆粒處理方法可以在無壓條件下實現大面積Cu-Cu連接，接頭剪切強度提升至10.8MPa，超過行業(yè)標準。

高粗糙度的顆粒表面處理可以拓寬有機溶劑的排出通道，促進溶劑在燒結過程中的揮發(fā)，提高接頭的剪切強度和抗老化性能。

酸處理后的大面積無壓銅燒結示意圖

3印刷工藝

印刷工藝是影響燒結層致密性與質量的關鍵因素之一，印刷工藝的選擇不僅影響材料在燒結過程中的均勻性，還決定了接頭的力學性能和熱疲勞特性。

（1）通過單層印刷工藝結合預干燥和階段加熱的方法，可以獲得均勻且致密的燒結層。然而，在大面積燒結時容易因溶劑殘留和加熱不均導致大裂紋及多孔隙的形成。

單層印刷燒結技術流程

（2）雙層印刷燒結技術更適用于需要更高均勻性和更低孔隙率的大面積燒結場景。通過在干燥后的第一層銀漿上印刷第二層濕銀漿，可以有效解決單層印刷中的大裂紋和分層缺陷問題，降低孔隙率至約12.5%，提高剪切強度至15.5MPa。

雙層印刷燒結技術流程

4燒結工藝

燒結工藝是影響大面積燒結接頭性能的重要因素，直接決定了接頭的機械強度、熱性能以及其在高功率、高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性。

1、大面積銀燒結工藝優(yōu)化

（1）預干燥工藝：通過去除燒結漿料中的有機物，確保大面積銀層的均勻性，減少缺陷并提高燒結層質量。開放接觸干燥工藝相比傳統(tǒng)干燥方式更具優(yōu)勢，適用于大面積銀燒結。

（2）燒結條件優(yōu)化：大面積燒結需要優(yōu)化燒結溫度和時間，以確保接頭的致密性和機械性能。例如，高于200℃的溫度可能是形成致密燒結接頭的必要條件。分段升溫與施壓的組合工藝可以有效減少裂紋的產生，提高剪切強度。

（3）低壓燒結技術：研究者逐漸轉向低壓燒結技術，以降低設備要求和成本。例如，較低的外加壓力（≤5MPa）同樣能夠實現致密的大面積銀層結構。

（4）電流輔助燒結（ECAS）：通過電流產生瞬時高溫實現快速燒結接頭致密化，適用于對溫度和壓力敏感的基板材料。

用ECAS技術的大面積銀燒結流程

2、大面積銅燒結工藝改進

（1）結構設計優(yōu)化：通過交叉形通道劃分和銅-鋁復合散熱片等結構設計，減少燒結后的孔隙率和熱應變，提升燒結層的均勻性和熱循環(huán)性能。

（2）多層印刷技術：通過多次印刷增加厚度，優(yōu)化燒結層的界面設計，降低因熱膨脹系數差異引起的基板翹曲，改善熱阻。

總結

大面積燒結技術憑借優(yōu)異的導熱和導電性能，有效提升了功率模塊的可靠性與長期穩(wěn)定性。銀材料因其卓越的導電性、低溫燒結特性及良好的抗氧化能力，成為高溫電子封裝的理想選擇。銅材料則憑借價格低廉、導熱性能優(yōu)良而被視為銀的經濟性替代品。

目前，大面積燒結技術已能夠在較低溫度和壓力條件下制備高質量的致密接頭，不僅降低了生產成本，還提升了工業(yè)化應用的可行性。然而，在大面積條件下如何實現更加均勻的熱膨脹控制和缺陷的有效電子與封裝減少，仍然是當前技術發(fā)展的關鍵挑戰(zhàn)。

為進一步推動大面積燒結技術的發(fā)展，提升接頭的界面結合可靠性與長期耐久性，未來研究可從以下幾個方面開展：

（1）優(yōu)化顆粒與溶劑配方，深入研究銀和銅顆粒的混合比、有機溶劑配方及燒結工藝參數對致密化和熱導率的影響，從而優(yōu)化燒結層性能；

（2）低壓/無壓工藝開發(fā)，開發(fā)更高效的新型低壓甚至無壓燒結工藝，以適應高溫、高功率密度應用需求，特別是電動汽車等大面積功率模塊的規(guī)模工業(yè)化需求；

（3）可靠性評估與模擬，結合熱循環(huán)、熱沖擊和剪切強度測試等可靠性評估手段，進一步利用有限元模擬工具優(yōu)化材料設計和工藝控制，以減少實驗成本，提高對熱應力和翹曲問題的預測與控制精度。

大面積燒結技術的持續(xù)發(fā)展需要在材料創(chuàng)新和工藝優(yōu)化的基礎上綜合考慮應用場景、工藝參數與材料特性之間的復雜交互關系。通過在燒結工藝、可靠性評估及材料設計方面的深入研究，銀／銅燒結技術有望成為滿足高功率、高密度電子封裝需求的重要選擇，為功率模塊性能的提升提供更加可靠和經濟的解決方案。

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