贺利氏电子:为何大面积烧结银成为碳化硅功率器件封装的首选技术?

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2018年标志性的转变—使用碳化硅MOSFET替换传统硅基IGBT于主驱逆变器中,为碳化硅技术在电动汽车中的广泛应用奠定了基础。此后,多家国内新能源汽车领先品牌纷纷投身碳化硅器件的研发应用。新技术的不断涌现,如800V高压快充,以及新能源汽车市场的持续扩张,极大促进了碳化硅产业的飞速发展。

在新能源汽车取得巨大成功的背后,碳化硅功率模块扮演了举足轻重的角色。从传统功率模块转型到碳化硅功率模块,对功率电子模块及其封装工艺提出了更高的要求,尤其是芯片与基板的连接技术在很大程度上决定了功率模块的寿命和可靠性。传统的锡焊料由于熔点低、导热性差,难以满足封装高功率器件在高温和高功率密度条件下的应用需求。随着芯片工作温度要求的不断提升,至175°C甚至更高,连接技术的机械和热性能要求也随之提升。传统方法中常见使用锡焊将芯片做贴装的封装技术已经无法满足大部分碳化硅模块的应用需求。随着800V碳化硅技术日益普及,烧结银技术为汽车电力电子产品封装提供了革命性的解决方案,其应用前景备受关注。

烧结银:功率器件封装的革命性技术

贺利氏作为德国历史悠久的企业,一直致力于保持材料技术的创新与可持续发展。贺利氏电子中国研发总监张靖博士回忆,贺利氏电子烧结银技术在2007年已经相对完善,尽管当时还未发现具体的应用场景,但公司预见到未来对此类高性能材料的迫切需求,并进行了长远的技术储备。到了2015年,随着纯电动汽车的突破性发展,贺利氏电子的烧结银技术找到了与碳化硅电驱系统协同的完美应用场景。


汽车中碳化硅功率模块的广泛使用,对封装材料提出了日益苛刻的要求,特别是需要具备更高熔点、更强耐疲劳性、高热导率且低电阻率的连接材料。

传统功率模块中,芯片通常通过锡焊材料连接到基板。在热循环过程中,连接界面通过形成金属间化合物层完成芯片、锡焊料合金与基板的互联。目前电子封装中常用的无铅焊料熔点低于250℃,适用于低于150℃的服役温度。然而,在175-200℃乃至更高的使用温度下,这些连接层的性能将急速下降甚至熔化,严重影响模块的正常运行和长期可靠性。

张靖博士介绍,烧结银的独特优势主要表现在三个方面:高工作温度—烧结银的工作温度可达到300℃,甚至更高;高热导率—对于碳化硅模块这类小尺寸、高功率应用,能够有效导出热量,提高功率密度;以及高可靠性—其在汽车应用中的车规级要求极为严格,烧结银的高熔点、低蠕变倾向为整体系统提供了卓越的稳定性。烧结银技术因此非常适合碳化硅功率模块的封装,完美满足了其对高工作温度、高功率密度和高可靠性的严格要求。

自2007年起,贺利氏电子在烧结银材料的研发与生产方面走在行业前沿,提供多款产品以适应各种封装需求。从mAgic® ASP043、mAgic® PE338,到针对碳化硅应用的mAgic® PE338-28 F1510,贺利氏电子持续推动技术革新以满足市场的多样化需求。

再进化:从芯片贴片到大面积烧结的应用拓展

烧结银技术作为封装领域的一个突破,凭借无铅、环保性和优异的导电导热性能获得了广泛关注。该技术已在市场上得到了大范围的认可。在逆变器系统中,烧结银可以被应用于芯片与基板的绑定,例如活性金属钎焊 (AMB) 氮化硅材料上;或用于DTS烧结芯片顶部处理;或再将功率模块贴装到散热器底板上。

从芯片封装领域来看,此技术已广泛普及,很多现有量产或即将量产的车型已经采用烧结银来封装其碳化硅功率模块,一些传统的硅基IGBT考虑到功率密度与可靠性也有时采用烧结银方案。

因此,烧结银技术已经从最初的小尺寸芯片贴片封装逐渐过渡到更广泛的功率模块大面积应用。贺利氏电子在今年Semicon China 2024发布的针对功率模块贴装的大面积有压烧结银材料mAgic® PE350,在较低的烧结条件下展现出色的性能,实现了高效的散热效果。

“在功率电子材料设计中,寻找可靠性、工艺参数、工作温度及性能之间的精细平衡至关重要。”张靖博士解释,从几平方毫米的芯片贴片到几十平方厘米的大面积模块,对烧结银材料提出了更多挑战。从传统芯片贴片烧结过渡到大面积烧结时,需要解决多个技术问题以确保高质量的印刷和烧结效果。

首先,在大面积上进行印刷要求银膏的印刷性要足够好,需要调整银膏的触变性和黏度以适应大面积印刷。其次,为了适应大面积烧结,银膏的烧结性需要改进,以确保在较低的温度和压力下达到良好的烧结效果,并调整银膏的活性。同时,在大面积烧结过程中,必须精确并均匀地施加烧结压力和温度,以确保烧结质量的一致性和模块的完整性。

此外,大面积烧结会大幅增加对烧结银膏的用量,而烧结银成本相对较高,特别是与更传统的焊锡材料相比。尽管烧结银在性能上具有显著优势,但成本因素可能会影响某些客户的采用意愿。

“作为一种新兴技术,大面积烧结银需要时间让市场接受和适应。”张靖博士补充道,“有些客户对新技术的稳定性和长期效益保持观望态度。但随着越来越多的碳化硅模块制造商、封装厂商乃至汽车制造商开始采用大面积烧结银工艺,相信未来大面积烧结技术在高端车型中的采用率会越来越高。”

今年开始,欧洲及其他海外市场可能由于各种因素而显示出增长的放缓。与此同时,中国新能源汽车市场仍在稳步增长,部分市场如纯电动汽车的增长速度稍显缓慢,而混合动力汽车的比例较预期要高。然而,基于碳化硅的功率模块在这些市场中将继续发挥关键作用,贺利氏电子的烧结银技术在这一领域展示出巨大的市场潜力。

根据Yole预测,xEV正在推动功率模块封装材料市场的发展,2023年这一市场的成本约为23亿美元,约占功率模块总成本的30%,预计到2029年,功率模块封装材料的市场规模将翻倍增长至43亿美元,年复合增长率为11%。汽车应用将不断改进模块材料和封装设计,以充分发挥SiC技术的优势,同时重点通过良好的性能和可靠性来降低功率模块的成本。

根据Business Research Insights的数据显示,2022年全球烧结银市场规模约为8900万美元,预计到2031年将达到1.57亿美元,年复合增长率为6.5%。

贺利氏电子也在不断对烧结银材料技术进行优化和升级。公司早期开发的产品mAgic® ASP043主要面向表面镀金或镀银的芯片。随着技术的发展和市场需求的变化,越来越多的用户对裸铜表面的烧结提出了需求。新一代产品mAgic® PE338不但可以在金银表面进行烧结,也可以在裸铜表面上进行烧结。随着碳化硅应用的增多,碳化硅芯片与基板材料之间的热膨胀差异成为了一个重要问题。为了适应不同材料之间的热膨胀,贺利氏电子在mAgic® PE338的基础上开发出新的mAgic® PE338-28 F1510版本,其热膨胀系数更加接近于碳化硅芯片。

扩展生态:通过行业技术交流和合作推动银烧结技术的普及

功率模块封装技术的重要趋势之一是在功率模块中越来越多地使用碳化硅MOSFET作为Si IGBT的替代品,特别是在xEV应用中。这导致了对能够承受更高结点和工作温度的功率模块封装材料的日益增长的需求,例如银烧结芯片粘接、先进的低杂散电感电气互连、Si3N4-AMB衬板、结构化底板以及高温稳定的封装材料。

张靖博士提到,随着技术的不断演进和优化,烧结银技术在高工作温度、高热导率和高可靠性方面的优势将更加明显,贺利氏电子也在通过技术创新、工艺改进和产业生态合作来推动烧结银更广泛的应用。

与此同时,贺利氏电子也在探索烧结铜等新材料技术,以期开发出成本效益更高、性能更优的烧结材料。例如此前推出的magiCu PE401有压烧结铜,性价比高,可以形成高导热及高可靠性的连接层,堪称提高电动汽车中功率电子器件的效率和使用寿命的理想解决方案,适用于普通烧结设备。更终极的方案则是无压烧结铜,减少对设备和工艺的压力要求,使得烧结工艺的应用更加便捷和广泛。

从烧结银行业生态来看,贺利氏电子一直希望通过上海研发中心这个平台,结合产业链合作、高校联合研究、创新工程服务及周期性的技术研讨会等途径来进行新材料的本土化研发,普及烧结银技术,以促进新技术的接受和应用。最新的大面积烧结银mAgic PE350就是在中国本土研发的,再次展示了贺利氏电子“在中国,为中国”的承诺。

张靖博士提到,与传统的焊接工艺不同,烧结银需要专门的烧结设备来进行生产。在贺利氏电子研发该工艺的初期,由于市场上缺乏对应的烧结设备,公司在实验室内自行搭建了一套简易设备进行试验。这不仅是一次自力更生的尝试,也是对材料和工艺进行微调以达到量产标准的过程。随后,公司与设备制造商进行了密切的合作,共同优化生产工艺和材料配方,最终实现了烧结银材料的大规模生产。

至今,贺利氏电子与烧结设备制造商保持紧密的合作关系,在他们的设备上验证新材料的性能,同时不断优化烧结材料以适应市场的新需求。此外,生产烧结银膏所用的银粉也需与相关供应商紧密合作,以确保满足不同烧结工艺和性能要求。

“贺利氏电子定期举办烧结银研讨会,为设备制造商、下游客户以及高校等行业各方搭建一个交流和学习的平台。”张靖博士说,“我们通过这些会议分析市场趋势、分享烧结技术的基础知识,讨论烧结银材料和工艺参数的最新进展。会议结束后,参与者们还将前往贺利氏电子的创新工程服务中心进行操作培训,与一线工程师面对面交流,亲身实践烧结银的工艺步骤,进一步加深他们对贺利氏电子mAgic烧结银创新产品和技术的理解。”

高校合作方面,贺利氏电子与中国多所知名大学,如复旦大学和上海交通大学建立了长期合作关系,这些合作主要集中在烧结技术的基础研究和原理性探索上,帮助贺利氏电子保持其在烧结技术方面的先进性。

此外,贺利氏电子通过其上海创新中心提供工程服务,帮助客户解决技术难题,加速烧结银技术的商业应用。“目前贺利氏电子的上海创新研发中心从最初的600平方米扩展至超过1200平方米的实验室。”张靖博士强调,“我们的实验室配备了价值数千万人民币的全套设备,能够为客户提供从产品研发到量产的全方位支持。从2019年开始就在帮助合作伙伴完成烧结工艺工程服务,国内大部分碳化硅模块厂商都与贺利氏电子有过深度合作。我们希望从贺利氏电子上海创新中心,能够走出更多客户的成功案例。”

随着烧结银技术的普及,封装材料市场的规模不断扩大,也吸引了越来越多的竞争者进入这一领域。尽管面临激烈的市场竞争,贺利氏电子通过不断的研发和创新,已将其烧结银产品发展成为系列化产品,并在全球市场上拥有广泛的应用实例。


“材料研发和创新非一日之功,贺利氏电子的烧结银产品从诞生至今已近二十年,目前已经形成了系列化产品,以及拥有广泛的应用实例。”张靖博士指出,未来,贺利氏电子仍将继续致力于提供广泛的电子封装材料组合、强大的应用与认证支持、以及定制化的工程服务,为客户提供全方位、本土化的咨询与研发服务,助力客户成功将前沿烧结技术应用于实际生产,满足市场对高性能功率器件不断增长的需求。

责编: 张轶群
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