随着以SiC为代表的第三代半导体快速发展，电力电子器件向新能源汽车、轨道交通等高压高电流应用场景加速渗透，对功率模块的高功率密度、高可靠性和长寿命提出了新的要求，传统封装技术的性能瓶颈日益凸显。
在芯片正面封装互连中，铝键合线虽成本低廉，但在实际工况的功率循环测试中，因热机械应力集中和界面疲劳，键合点脱落率显著高于铜键合线，成为模块失效的首要诱因；在芯片背面互连，纳米银膏/银膜烧结技术凭借其优异的导电、导热性能，成为功率模块封装的理想选择；而AMB基板与散热器间的大面积焊料层，目前锡基材料热导率不足50W/(m·K)以及互连强度低，成为散热瓶颈与可靠性失效的“双重薄弱点”。
针对上述痛点，清连科技提出功率器件封装纳米银/铜全烧结解决方案，可实现高性能高可靠性互连，大幅提升器件散热性能，有效提高功率器件服役寿命。即在如图1所示的三个应用场景中应用纳米金属烧结产品：芯片正面采用覆银膜铜片烧结互连然后铜线键合，芯片背面采用纳米银烧结技术，系统级封装中采用大面积铜烧结技术。
图1 纳米银/铜烧结技术应用场景 1、芯片正面覆银膜铜片烧结技术 芯片正面互连技术通过覆银膜铜片与芯片正面直接键合，全面突破传统打线瓶颈。可以带来高温性能跃升，零损伤键合，芯片散热均匀。覆银膜铜片即在铜箔上预制一层烧结银膜，芯片正面采用覆银膜铜片加铜线键合组合方案，可避免铜线直接对芯片损伤，可进一步提高载流能力，降低了芯片局部温度峰值，寿命提升10倍以上，通过铜箔将电流产生的热量均匀分布到整个芯片表面，减少热应力对芯片的影响。 总之，芯片正面采用覆银膜铜片烧结技术有效解决了传统引线键合技术的高温可靠性差、键合损伤风险高、散热不均等问题。其核心优势在于提升高温环境下的稳定性、延长器件寿命。 清连科技自主研发的覆银膜铜片是一款适用于芯片正面烧结的覆膜铜片，具有优异的导电导热性能和高可靠性，能够在金、银、铜基板上实现高可靠烧结连接，为大功率器件芯片正面封装提供高可靠解决方案。产品表现为：铜箔边缘完好无黑边毛刺；烧结组织致密均匀；高剪切强度，剪切强度可达60MPa以上；高导热性，热导率>200W/mK，如图2所示。 图2 覆银膜铜片（芯片正面烧结） 2、芯片背面纳米银烧结技术 纳米银烧结技术凭借其优异的导电、导热性能，成为SiC功率模块封装的理想选择。特斯拉在不同车型中率先采用纳米银烧结，成功实现纳米银上车。目前纳米银烧结技术已成为SiC功率模块封装的商业化方案。清连科技自主研发了对标欧美产品的纳米银烧结材料，并改进了其中的痛点，具有优异的导电导热性能和高的剪切强度，能够在金、银、铜基板上实现高可靠烧结连接，为大功率器件封装提供高可靠解决方案。 尤其是在裸铜AMB表面的优异表现，为客户节约了镀银成本。 此外，自主开发的纳米银膜已在国内外主流封装厂成功从研发线导入量产线。目前在北京、苏州工厂分别建有量产产线，大幅度降低了银膜的应用成本，同时为更大规模量产以及嵌入式应用做好了充分准备。 图3 芯片级银膏及银膜 3、模组与散热器间大面积铜烧结技术 模组与散热器之间的导热性能随着器件功率密度提升日渐成为器件性能提升的瓶颈之一，此外在热冲击可靠性测试过程中模组与散热器很难实现稳定不分层，成为车辆安全行驶的潜在隐患。然而国内大部分新能源车型并没有采用大面积纳米银烧结技术，其根本原因是纳米银烧结技术高昂的材料成本。 纳米铜烧结具有与银烧结相似的导电性与导热性，并且与覆铜陶瓷基板以及散热器具有更匹配的材料与物理特性，其原材料成本不到烧结银的十分之一，因此纳米铜烧结技术具有更好的发展前景。尤其是功率模块与散热器之间连接时采用大面积铜烧结技术，可以带来数倍的导热性能提升以及可靠性优势，是提高功率模块散热效率与性能最具潜力的解决方案之一。 纳米铜烧结连接层具有优异的导热导电性能，其热导率和导电性均与银参数相当，且远远大于锡基焊料，这使得铜烧结在大面积封装中带来良好的散热性能，同时相较于银烧结能够显著降低成本。清连科技配合大量客户仿真与实测数据表明，在相同工况下，采用芯片银烧结与系统大面积铜烧结时，相较于锡基焊料封装器件，导热能力提升4-5倍，整体热阻下降9.23%-13.60%。
图4 不同封装材料下功率循环仿真中芯片结温对比
然而，纳米铜烧结技术用于大面积互连最大的挑战在于如何降低纳米铜膏的互连温度与互连压力。清连科技在纳米铜烧结技术已经积累了近二十年，近年来在产业方与股东的持续牵引迭代下，成功突破了纳米铜的氧化问题，解决了其烧结温度高和辅助压力大的难题，成功将烧结温度降低至220℃，辅助压力低至6 MPa。
该技术的突破引领了国内外纳米铜烧结技术的发展，与国内外众多头部车企与封装厂进行了合作与验证，积累了丰富的经验并通过全部可靠性测试，为器件可靠性提升提供了解决方案。
图5 大面积互连用纳米铜膏
第三代半导体由于其优异的性能以及更高的理论运行温度在功率器件上得到了广泛应用，对连接层材料也提出了高温服役以及高可靠性等严苛要求，传统的封装材料已经难以满足使用需求。纳米金属烧结被认为是高可靠封装最有竞争力的选择之一。当前针对碳化硅功率器件封装不同应用场景，清连科技提出了功率器件全烧结解决方案，包括芯片正面覆银膜铜片烧结技术、芯片背面纳米银烧结技术以及系统级封装大面积铜烧结技术，可有效提升器件整体可靠性，同时提升器件导热性能，助力国产碳化硅功率器件降本增效。
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