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引言: 功率模塊是現(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的組件,它們負(fù)責(zé)高效、可靠地進(jìn)行電能的轉(zhuǎn)換和控制。這些模塊直接影響到一個(gè)系統(tǒng)的性能、效率和耐用性,是各類電子設(shè)備和系統(tǒng)中關(guān)鍵的技術(shù)基礎(chǔ)。在現(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域中,功率模塊主要應(yīng)用在以下幾個(gè)場(chǎng)景: 可再生能源:在太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源系統(tǒng)中,功率模塊用于有效轉(zhuǎn)換和調(diào)配從自然資源中采集到的能量。例如,將太陽(yáng)能板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為可用于家庭或輸送至電網(wǎng)的交流電。 電動(dòng)汽車 (EVs):功率模塊在電動(dòng)汽車中用于管理電池提供的電能,支持電動(dòng)機(jī)的高效運(yùn)行。它們幫助優(yōu)化電能的使用,延長(zhǎng)電池壽命,并提高整車性能。 工業(yè)自動(dòng)化與控制系統(tǒng):在自動(dòng)化生產(chǎn)線和機(jī)器人技術(shù)中,功率模塊控制電機(jī)和其他機(jī)械設(shè)備的功率供應(yīng),確保精確和可靠的操作,從而提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 電力傳輸和分配:功率模塊在智能電網(wǎng)中扮演重要角色,用于電能的高效分配和管理。它們支持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行,通過(guò)優(yōu)化電力流向減少能源浪費(fèi),并應(yīng)對(duì)不斷變化的負(fù)載需求。 消費(fèi)電子產(chǎn)品:在更廣泛的消費(fèi)電子領(lǐng)域內(nèi),功率模塊同樣重要。它們?cè)诖_保設(shè)備如筆記本電腦、智能手機(jī)和平板電腦等穩(wěn)定運(yùn)行和電源效率方面起著關(guān)鍵作用。 功率模塊作為電力電子技術(shù)的核心,不僅通過(guò)優(yōu)化電能使用效率和確保操作可靠性支持現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,也在環(huán)境保護(hù)和資源效率方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。隨著技術(shù)的進(jìn)步和新應(yīng)用的開(kāi)發(fā),功率模塊的重要性在未來(lái)將會(huì)進(jìn)一步增加。 為什么選擇燒結(jié)銀: 傳統(tǒng)功率模塊中,芯片通常通過(guò)錫焊材料連接到基板。在熱循環(huán)過(guò)程中,連接界面通過(guò)形成金屬間化合物層完成芯片、錫焊料合金與基板的互聯(lián)。目前電子封裝中常用的無(wú)鉛焊料熔點(diǎn)低于250℃,適用于低于150℃的服役溫度。然而,在175-200℃乃至更高的使用溫度下,這些連接層的性能將急速下降甚至熔化,嚴(yán)重影響模塊的正常運(yùn)行和長(zhǎng)期可靠性。 隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車工業(yè)的發(fā)展,使用碳化硅MOSFET替換傳統(tǒng)硅基IGBT成為行業(yè)主流,從傳統(tǒng)功率模塊轉(zhuǎn)型到碳化硅功率模塊,對(duì)功率電子模塊及其封裝工藝提出了更高的要求,尤其是芯片與基板的連接技術(shù)在很大程度上決定了功率模塊的壽命和可靠性。傳統(tǒng)的錫焊料由于熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱性差,難以滿足封裝高功率器件在高溫和高功率密度條件下的應(yīng)用需求。隨著芯片工作溫度要求的不斷提升,至175°C甚至更高,連接材料的機(jī)械和熱性能要求也隨之提升。傳統(tǒng)方法中常見(jiàn)使用錫焊將芯片做貼裝的封裝技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足大部分碳化硅模塊的應(yīng)用需求。 銀燒結(jié)技術(shù)也被稱為低溫連接技術(shù)(Low temperature joining technique,LTJT),作為一種新型無(wú)鉛化芯片互連技術(shù),可在低溫(<250℃)條件下獲得耐高溫(>300℃)和高導(dǎo)熱率(>200 W/m·K)的燒結(jié)銀芯片連接界面,燒結(jié)銀的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:①高工作溫度—燒結(jié)銀的工作溫度可達(dá)到300℃,甚至更高;②高熱導(dǎo)率—對(duì)于碳化硅模塊這類小尺寸、高功率應(yīng)用,能夠有效導(dǎo)出熱量,提高功率密度;③高可靠性—其在汽車應(yīng)用中的車規(guī)級(jí)要求極為嚴(yán)格,燒結(jié)銀的高熔點(diǎn)、低蠕變傾向?yàn)檎w系統(tǒng)提供了卓越的穩(wěn)定性。因此燒結(jié)銀非常適合碳化硅功率模塊的封裝,完美滿足了其對(duì)高工作溫度、高功率密度和高可靠性的嚴(yán)格要求。 圖①:為什么選擇燒結(jié)銀—日益增長(zhǎng)的功率密度。 圖②:功率模塊封裝形式的變化 什么是銀燒結(jié)? 銀燒結(jié)技術(shù)是一種對(duì)微米級(jí)及以下的銀顆粒在250℃左右進(jìn)行燒結(jié),通過(guò)原子間的擴(kuò)散從而實(shí)現(xiàn)良好連接的技術(shù),如下圖,燒結(jié)過(guò)程中未發(fā)生金屬熔化。所用的燒結(jié)材料的基本成分是銀顆粒,根據(jù)粒徑不同可分為微米粉和納米粉,根據(jù)燒結(jié)后是否有有機(jī)物殘留可分為全燒結(jié)和半燒結(jié)。 圖③:燒結(jié)和錫焊的區(qū)別 燒結(jié)原理 在燒結(jié)過(guò)程中,隨著不斷升溫,溶劑和涂層最先揮發(fā)分解,銀顆粒通過(guò)彼此接觸形成燒結(jié)頸,銀原子通過(guò)擴(kuò)散遷移到燒結(jié)頸區(qū)域,從而燒結(jié)頸不斷長(zhǎng)大,相鄰銀顆粒之間的距離逐漸縮小,形成連續(xù)的孔隙網(wǎng)絡(luò),隨著燒結(jié)過(guò)程的進(jìn)行,孔洞逐漸變小,燒結(jié)密度和強(qiáng)度顯著增加,在燒結(jié)最后階段,多數(shù)孔洞被完全分割,小孔洞逐漸消失,大空洞逐漸變小,直到達(dá)到最終的致密度。燒結(jié)得到的連接層為多孔性結(jié)構(gòu),孔洞尺寸在微米及亞微米級(jí)別,連接層具有良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能,熱匹配性能良好。 圖④:燒結(jié)過(guò)程示意圖 賀利氏燒結(jié)銀產(chǎn)品 賀利氏作為德國(guó)歷史悠久的企業(yè),一直致力于保持材料技術(shù)的創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展。自2007年起,賀利氏在燒結(jié)銀材料的研發(fā)與生產(chǎn)方面走在行業(yè)前沿,提供多款產(chǎn)品以適應(yīng)各種封裝需求。早期開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品mAgic ASP043主要面向表面鍍金或鍍銀的界面。隨著技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)需求的變化,越來(lái)越多的用戶對(duì)裸銅表面的燒結(jié)提出了需求。新一代產(chǎn)品mAgic PE338不但可以在金銀表面進(jìn)行燒結(jié),也可以在裸銅表面上進(jìn)行燒結(jié)。隨著碳化硅應(yīng)用的增多,碳化硅芯片與基板材料之間的熱膨脹差異成為了一個(gè)重要問(wèn)題。為了適應(yīng)不同材料之間的熱膨脹,賀利氏在mAgic PE338的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出新的mAgic PE338-28 F1510版本,其熱膨脹系數(shù)更加接近于碳化硅芯片,極大提高了碳化硅產(chǎn)品的可靠性。 圖⑤:賀利氏燒結(jié)銀產(chǎn)品 賀利氏燒結(jié)銀的優(yōu)勢(shì) 賀利氏作為燒結(jié)材料的引領(lǐng)者,在形形色色的同類產(chǎn)品中,賀利氏的燒結(jié)銀到底有哪些優(yōu)勢(shì)呢,下面我為大家一一介紹: 圖⑥:不同銀顆粒尺寸及形貌差異 ① 成本優(yōu)勢(shì)--區(qū)別于友商所使用的納米銀顆粒,賀利氏所使用的為片狀微米銀顆粒,相比之下,微米級(jí)銀粉具有更高的產(chǎn)量和更低的工藝難度,成本上比納米粉具有更大的優(yōu)勢(shì)。 ② 批次穩(wěn)定性高--使用微米銀顆粒不僅帶來(lái)成本上的優(yōu)勢(shì),也避免了納米粉極易團(tuán)聚和批次間差異大的問(wèn)題,使得賀利氏的燒結(jié)銀批次穩(wěn)定性極高。 ③ 生物安全性--同時(shí)由于納米材料的生物毒性問(wèn)題,極易透過(guò)皮膚和黏膜進(jìn)入體內(nèi),可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞損傷、基因突變甚至癌變等嚴(yán)重后果,賀利氏采用微米粉材料,從根本上避免了納粉末對(duì)人體、環(huán)境的危害。 ④ 燒結(jié)強(qiáng)度高--賀利氏使用特殊工藝,將銀顆粒研磨成片狀粉末,相較于球形顆粒的點(diǎn)接觸,片狀結(jié)構(gòu)大大增加了燒結(jié)過(guò)程中相鄰銀粉的接觸面積,使得賀利氏的微米粉可以達(dá)到超越納米粉的燒結(jié)強(qiáng)度。 ⑤ 高可靠性--針對(duì)SiC芯片應(yīng)用場(chǎng)景,賀利氏推出帶填料的高可靠性版本(F1510)燒結(jié)銀,可靠性(TST)可提升2.5倍以上。SiC的CTE與Si相似,但楊氏模量更高,在相同的熱機(jī)械載荷下,碳化硅芯片的應(yīng)力更高。在燒結(jié)銀中添加非銀填充材料可降低燒結(jié)膏體的CTE,大大提高了SiC芯片下的燒結(jié)層的可靠性。如下圖,在經(jīng)過(guò)1000次溫度循環(huán)后(TST, -65℃/+150℃),不含填料的燒結(jié)層出現(xiàn)分層現(xiàn)象,分層現(xiàn)象隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加而顯著增加;而帶填料的燒結(jié)層,即使在2500次循環(huán)后,也沒(méi)有觀察到明顯的分層。 圖⑦:SiC芯片不同燒結(jié)銀在SiC芯片應(yīng)用上的可靠性對(duì)比 結(jié)語(yǔ) 賀利氏作為一家專業(yè)的材料供應(yīng)商,在銀燒結(jié)領(lǐng)域深耕多年,自2007年起,賀利氏在燒結(jié)銀材料的研發(fā)與生產(chǎn)方面走在行業(yè)前沿,跟隨市場(chǎng)變化不斷推陳出新,在滿足產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上,不斷優(yōu)化產(chǎn)品配方,提供多款產(chǎn)品以適應(yīng)各種封裝需求。從mAgic ASP043、mAgic PE338,到針對(duì)碳化硅應(yīng)用的mAgic PE338-28 F1510,賀利氏電子持續(xù)推動(dòng)技術(shù)革新以滿足市場(chǎng)的多樣化需求。 |
