摘要

隨著電力電子技術向高頻、高效、高功率密度方向發展，碳化硅（SiC）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等功率器件在眾多領域得到廣泛應用。在這些功率器件的封裝與連接技術中，銀燒結技術憑借其獨特的優勢逐漸嶄露頭角。本文深入探討了功率器件采用銀燒結技術的原因，從銀燒結技術的原理出發，分析了其在熱性能、電性能、機械性能以及可靠性等方面的優勢，并結合SiC和IGBT功率器件的特點，闡述了銀燒結技術如何滿足其高性能應用需求，同時對銀燒結技術在功率器件領域的應用前景進行了展望。

關鍵詞

功率器件；銀燒結技術；SiC；IGBT；性能優勢

一、引言

在現代工業和電子設備中，功率器件作為能量轉換與控制的核心元件，其性能直接影響到整個系統的效率、可靠性和穩定性。SiC和IGBT作為兩種具有代表性的功率器件，具有高頻、高壓、大電流等優異特性，廣泛應用于電動汽車、智能電網、航空航天等領域。然而，隨著功率器件工作頻率和功率密度的不斷提高，傳統的封裝與連接技術面臨著諸多挑戰，如熱應力導致的失效、接觸電阻過大引起的發熱問題等。銀燒結技術作為一種新興的連接技術，為解決這些問題提供了有效的途徑，在功率器件領域受到了廣泛關注。

二、銀燒結技術原理

銀燒結技術是利用銀納米顆?；蛭⒚最w粒在一定的溫度和壓力條件下，通過顆粒間的擴散、融合和致密化過程，形成高導電、高導熱且具有良好機械強度的連接層。在燒結過程中，銀顆粒表面的有機包覆層在高溫下分解，顆粒之間的原子開始相互擴散，隨著溫度的升高和時間的延長，顆粒逐漸融合，孔隙減少，最終形成連續的銀連接層。這一過程不涉及鉛、錫等傳統焊料中的金屬間化合物形成，避免了金屬間化合物脆性大、導電導熱性能差等問題。

三、銀燒結技術在功率器件中的性能優勢

3.1 卓越的熱性能

3.1.1 高熱導率

功率器件在工作過程中會產生大量的熱量，如果不能及時有效地散發出去，會導致器件溫度升高，進而影響其性能和可靠性。銀具有極高的熱導率（約429 W/(m·K)），采用銀燒結技術形成的連接層能夠有效地將器件產生的熱量傳導出去，降低器件的工作溫度。與傳統的錫基焊料（熱導率一般在50 - 70 W/(m·K)左右）相比，銀燒結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，采用銀燒結技術連接芯片和基板，可以使芯片的結溫降低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存在差異，在工作過程中由于溫度變化會產生熱應力。銀燒結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力，減少因熱應力引起的開裂和失效問題。同時，通過調整銀燒結材料的成分和工藝參數，可以使其熱膨脹系數與功率器件和基板更好地匹配，進一步提高功率器件的熱可靠性。

3.2 優異的電性能

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，過高的接觸電阻會導致器件發熱增加、效率降低。銀燒結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。與傳統的錫基焊料連接相比，銀燒結連接層的接觸電阻可以降低一個數量級以上，從而減少了功率損耗，提高了功率器件的轉換效率。在IGBT模塊中，采用銀燒結技術可以降低模塊的導通損耗，提高模塊的整體性能。

3.2.2 穩定的電學性能

銀燒結連接層在高溫、高濕等惡劣環境下具有良好的電學穩定性。由于其連接機制主要是銀原子之間的擴散和融合，不存在傳統焊料中金屬間化合物的生長和變化問題，因此不會出現因金屬間化合物性能退化而導致的接觸電阻增大、電遷移等電學性能下降的現象。這使得采用銀燒結技術的功率器件能夠在更寬的溫度范圍和更惡劣的環境條件下穩定工作。

3.3 良好的機械性能

3.3.1 高剪切強度

銀燒結連接層具有較高的剪切強度，能夠承受功率器件在工作過程中產生的機械應力。在電動汽車等應用中，功率器件會受到頻繁的振動和沖擊，銀燒結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致的器件損壞。實驗表明，銀燒結連接層的剪切強度可以達到30 - 50 MPa以上，遠高于傳統的錫基焊料連接層。

3.3.2 抗疲勞性能

功率器件在工作過程中會經歷多次熱循環，連接層會受到交變應力的作用，容易產生疲勞損傷。銀燒結連接層具有良好的抗疲勞性能，能夠在長期的熱循環過程中保持穩定的機械性能。這是由于銀燒結連接層的微觀結構較為均勻，沒有明顯的缺陷和應力集中點，能夠有效地分散應力，減少疲勞裂紋的產生和擴展。

3.4 高可靠性

3.4.1 長期穩定性

銀燒結技術形成的連接層在長期使用過程中具有良好的穩定性，不會出現像傳統焊料連接層那樣的老化、蠕變等問題。其化學性質穩定，不易與周圍環境中的物質發生反應，能夠保證功率器件在長期運行過程中的性能和可靠性。這對于一些對可靠性要求極高的應用領域，如航空航天、核能等，具有重要的意義。

3.4.2 環保性

與傳統的含鉛焊料相比，銀燒結技術是一種環保的連接技術。鉛是一種有毒有害物質，對環境和人體健康會造成嚴重危害。銀燒結材料不含有鉛等有害物質，符合環保要求，有利于推動功率器件產業的可持續發展。

四、銀燒結技術滿足SiC和IGBT功率器件高性能應用需求

4.1 SiC功率器件的需求

SiC功率器件具有更高的擊穿電場、更高的熱導率和更高的電子遷移率等優點，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其封裝和連接技術提出了更高的要求。銀燒結技術的高熱導率、低接觸電阻和良好的熱匹配性等特點，能夠滿足SiC功率器件對散熱和電性能的嚴格要求。例如，在SiC MOSFET中，采用銀燒結技術連接芯片和源極、漏極引線，可以降低芯片的結溫，提高器件的開關速度和效率，同時減少因熱應力引起的失效問題。

4.2 IGBT功率器件的需求

IGBT功率器件在大功率應用中具有重要的作用，如電動汽車的電機控制器、風力發電系統的變流器等。IGBT模塊在工作過程中會產生大量的熱量，需要高效的散熱解決方案。銀燒結技術的高熱導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受到頻繁的開關操作和機械振動，銀燒結技術的高剪切強度和抗疲勞性能能夠保證模塊的長期穩定運行。

五、銀燒結技術在功率器件領域的應用現狀與挑戰

5.1 應用現狀

目前，銀燒結技術已經在一些高端功率器件產品中得到了應用。例如，部分電動汽車制造商已經開始在其電機控制器中采用銀燒結技術的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和推廣銀燒結技術的SiC功率模塊，以滿足市場對高性能功率器件的需求。

5.2 面臨的挑戰

盡管銀燒結技術具有諸多優勢，但在實際應用中仍面臨一些挑戰。首先，銀燒結工藝需要精確控制溫度、壓力和時間等參數，對設備的要求較高，增加了生產成本。其次，銀的價格相對較高，導致銀燒結材料的成本也較高，限制了其在大規模生產中的應用。此外，銀燒結連接層在長期使用過程中可能會出現銀遷移現象，影響連接層的電學性能和可靠性，需要進一步研究和解決。

六、銀燒結技術在功率器件領域的應用前景展望

隨著技術的不斷進步和成本的逐漸降低，銀燒結技術在功率器件領域的應用前景十分廣闊。未來，可以通過優化銀燒結工藝，降低生產成本，提高生產效率。例如，開發新型的銀燒結設備和工藝，實現快速、低溫燒結，減少能源消耗和生產時間。同時，可以研究銀燒結材料與其他材料的復合技術，降低銀的使用量，降低成本。此外，加強對銀遷移現象的研究，開發有效的抑制措施，提高銀燒結連接層的長期可靠性。

在SiC和IGBT等功率器件向更高性能、更高功率密度發展的趨勢下，銀燒結技術將發揮越來越重要的作用。預計在未來幾年內，銀燒結技術將在更多的功率器件產品中得到應用，推動功率器件產業向高頻、高效、高可靠性方向發展。

七、結論

銀燒結技術憑借其卓越的熱性能、優異的電性能、良好的機械性能和高可靠性等優勢，在SiC和IGBT等功率器件中具有廣闊的應用前景。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、轉換效率和可靠性。盡管目前銀燒結技術在應用中還面臨一些挑戰，但隨著技術的不斷發展和創新，這些問題將逐步得到解決。未來，銀燒結技術有望成為功率器件封裝與連接的主流技術之一，為電力電子技術的發展提供有力支持。