碳化硅功率半導體革命的加速器：國產燒結銀崛 - asiasworldcity.hk

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公衆號記得加星標??，第一時間看推送不會錯過。從電動汽車的高效驅動系統，到光伏發電中的逆變器，再到5G通訊的核心射頻模塊，以碳化硅爲代表的第三代功率半導體相比傳統的硅芯片呈現出更爲優越的性能。當新能源汽車續航里程突破1000公里、800V高壓快充成爲標配，碳化硅功率半導體的革命正在加速到來。而更高的功率密度、更優的散熱能力、更強的可靠性以及更高的工作溫度範圍等嚴苛要求，讓傳統的焊料封裝與連接技術在新的技術時代，正在被高性能、高可靠性的燒結銀封裝與連接技術快速取代。燒結銀技術也成爲了碳化硅等第三代功率半導體芯片與模組封裝的首選材料。圖源：帝科湃泰碳化硅和氮化鎵的應用領域1燒結銀技術概述燒結銀的概念燒結銀技術，是一種新型無鉛化芯片互連技術。該技術主要是對微米級及以下的銀顆粒在300℃以下進行燒結，通過原子間的擴散作用實現良好連接，從而在低溫燒結（<250℃）條件下獲得耐高溫（>700℃）和高導熱（>200W/m.K）的燒結銀芯片連接界面。技術發展歷程20世紀80年代末期，Scheuermann等率先研究了一種低溫燒結技術，即通過燒結銀顆粒實現功率半導體器件與基板互連的方法，這爲燒結銀技術的發展奠定了基礎。此後，隨着科技進步，燒結銀技術在工藝優化、材料性能提升等方面取得了顯著進展，逐漸從實驗室研究走向實際工業應用，並在近年來得到了廣泛的關注與應用推廣。燒結銀技術原理原子擴散是燒結銀技術實現良好連接的核心機制。在低溫燒結過程中，銀顆粒表面的原子具有較高的活性，由於表面自由能的驅動，原子開始遷移。當兩個銀顆粒相互靠近並接觸時，原子會從高自由能的顆粒表面向接觸區域擴散，逐漸形成燒結頸。隨着時間的推移和溫度、壓力等條件的持續作用，原子擴散不斷進行，燒結頸不斷擴展，使得銀顆粒之間的連接逐漸增強。這種原子擴散連接機制能夠在相對較低的溫度下實現銀顆粒的融合，避免了高溫對芯片和基板等材料的不良影響，同時形成的連接具有良好的導電性、導熱性和機械強度，滿足功率半導體對高性能連接的要求。圖源：帝科湃泰燒結銀在功率半導體封裝中的優勢：高工作溫度：碳化硅和氮化鎵等寬禁帶半導體材料具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率等特點，非常適合製作應用於高頻、高壓、高溫等場合的功率模塊。燒結銀技術以其高導熱性和高可靠性，能夠很好地滿足高溫碳化硅器件等功率模塊的芯片互連需求。在高溫環境下，燒結銀連接層能夠有效傳遞熱量，維持芯片的正常工作溫度，同時保證連接的穩定性，確保功率模塊在惡劣環境下可靠運行。高熱導率：傳統高鉛焊料的導熱率一般只有30~50W/m.K，而燒結銀可以達到200W/m.K以上，對於碳化硅模塊這類小尺寸、高功率應用，能夠有效導出熱量，提高功率密度。高可靠性：銀的熔點高達 961℃，相較於熔點小於 300℃的焊料連接層，燒結銀不會產生焊料連接層中常見的典型疲勞效應。在功率半導體長期運行過程中，尤其是在經歷溫度循環變化時，焊料連接層容易因熱脹冷縮產生疲勞裂紋，進而導致連接失效。而燒結銀憑藉其高熔點特性，在高溫、高應力等惡劣工作環境下，依然能夠保持穩定的連接狀態，極大地提高了功率半導體的可靠性。這一優勢使得燒結銀技術在對可靠性要求極高的領域，如航空航天、汽車電子等，具有不可替代的應用價值。環保特性：在當今全球對環境保護高度重視的背景下，電子行業也在積極尋求環保型材料與技術。燒結銀技術所使用的燒結材料不含鉛等有害物質，可以很好的替代現有的高鉛焊料，屬於環境友好型材料。2燒結銀在電動汽車中的應用雖然新能源電動汽車在全球範圍內的滲透率正在逐年增高，但要取代燃油汽車實現全面普及，仍然需要突破續航里程、快充等關鍵挑戰，碳化硅與燒結銀的天作之合，正是電動汽車實現這一市場飛躍的關鍵。而在電動汽車技術不斷迭代的進程裏，如何提升關鍵部件的性能，進而優化整車的能效、可靠性與穩定性，成爲了行業關注的焦點。在此背景下，燒結銀技術脫穎而出，以其卓越的材料特性與連接性能，成爲驅動電動汽車性能飛躍的關鍵力量。顯著提升系統效率：從整體系統層面來看，燒結銀技術的廣泛應用有效降低了電動汽車關鍵部件的熱阻與電阻。以碳化硅功率模塊爲例，連接層熱阻的大幅降低，使得芯片產生的熱量能夠迅速導出，減少了因熱積累導致的性能衰退，提升了能源轉換效率。在電機控制器、電池管理系統等環節，憑藉燒結銀良好的導電性能，降低了電流傳輸過程中的損耗。綜合各部件的協同優化，採用碳化硅和燒結銀技術的電動汽車，其動力系統整體效率可提升 8%-12% ，這意味着在相同電量下，車輛能夠行駛更遠的距離，或者在完成相同行程時，消耗更少的電量，顯著提升了電動汽車的能源利用效率。大幅增強可靠性與穩定性：無論是高溫環境下的碳化硅功率模塊，還是頻繁充放電的電池管理系統，以及持續處於複雜工況的電機控制器與充電系統，燒結銀技術憑藉高熔點、高粘結強度和穩定的物理化學特性，賦予了這些部件卓越的可靠性與穩定性。在面對高低溫循環、高溼度、高振動等惡劣環境時，燒結銀連接層能夠保持結構完整與性能穩定，有效減少故障發生概率。有力推動功率密度提升：在追求電動汽車輕量化與小型化的趨勢下，提升功率密度成爲關鍵目標。燒結銀技術通過優化連接結構，擴大芯片與基板等部件的有效接觸面積，大幅提升了單位體積內的功率承載能力。在碳化硅功率模塊中，燒結銀技術的應用使得系統級的電流密度提高數倍以上，在電機控制器等部件中，也實現了功率密度的顯著提升。這不僅有助於實現電動汽車關鍵部件的小型化設計，減少空間佔用，還能在不增加設備體積與重量的前提下，提升其功率輸出能力，爲電動汽車的性能優化與設計創新開闢了新路徑。現今的電動汽車中，燒結銀主要用於主驅逆變器，一般有三種封裝類型的功率模塊，即：TPAK、HPD、DCM。TPAK模塊TPAK封裝具有高靈活性與可擴展性，封裝（尺寸20mm×28mm×4mm）支持多芯片並聯，可根據功率需求靈活配置（如主驅逆變器並聯多箇模塊），適配不同車型的電壓平臺（400V/800V）。支持多芯片供應商（如意法、英飛凌等），避免單一供應商風險。但是系統複雜度高，需配套高精度驅動電路，設計門檻較高。HPD模塊HPD封裝支持電流高達1000A以上，耐壓1200V-1700V，適合重卡、大功率新能源車主驅逆變器等場景，且管腳兼容IGBT 版本的驅動設計，車企無需進行車型重新開發，可直接替換原有 IGBT 模塊，降低了研發成本和開發週期。但是相比塑封模塊，HPD封裝尺寸偏大，可能限制車型結構佈局。在質量管控和成本方面，一旦出現一顆芯片不良，整個模塊都可能損壞。DCM模塊DCM模塊具有低雜散電感與低熱阻的優點。通過優化封裝結構（如雙面散熱設計），雜散電感低至5nH以下，熱阻降低30%，支持更高開關頻率（MHz級別），減少濾波元件體積，且塑封工藝成熟，材料成本較低，適合規模化量產，尤其在歐洲車型中已有成熟應用案例。但是電流能力中等，電流範圍通常在20A-600A，難以滿足超高壓大電流需求（如800V平臺）。3帝科湃泰PacTite®燒結銀加速碳化硅革命據不同機構預測，到2030年全球電動車燒結銀市場規模有望達到200億元左右。目前，綜合芯片與大面積模組等不同應用場景需求來看，單車燒結銀價值有望達到300-1000元。但目前全球燒結銀市場被美國Alpha、德國賀利氏等海外企業壟斷供應，國產化缺失已經成爲制約碳化硅等功率半導體發展和電動汽車全面普及的主要因素之一。無錫帝科電子材料股份有限公司（簡稱“帝科股份DKEM®”）作爲全球領先的高性能電子漿料供應商，和國內首家光伏與半導體銀漿上市公司（300842.SZ），根植於全球能源結構轉型和國家半導體戰略，成立十五年來始終聚焦太陽能電池、半導體封裝、電子元器件等領域的導電漿料自主研發與創新實踐。帝科股份控股子公司無錫湃泰電子材料科技有限公司（簡稱“湃泰PacTite®”）從成立伊始便致力於開發車規級燒結銀產品，現已形成壓力燒結銀、無壓燒結銀等系列產品以滿足客戶不同的應用需求，多款產品已實現大規模量產。帝科湃泰PacTite®燒結銀產品圖源：帝科湃泰DECA610-02T：SiC芯片級壓力燒結銀DECA610-02T是一款用於半導體芯片粘接的壓力燒結銀材料，專門爲超高導熱要求的芯片封裝設計。主要應用於SiC、GaN 、IGBT等高功率芯片的封裝。其有着優秀的印刷作業性，低至230℃、15MPa的燒結溫度和壓力，低氣孔率，高可靠性。圖源：帝科湃泰SiC芯片壓力燒結工藝流程圖圖源：帝科湃泰DECA610-02T有着出色的印刷性能，預烘烤前後銀漿平整度高，無溢出擴散。圖源：帝科湃泰DECA610-02T燒結緻密，氣孔率低於1.2%圖源：帝科湃泰DECA610-02T具有高可靠性，SiC TPAK封裝通過TC2000測試（-65~+150℃），無分層開裂。DECA610-11W：SiC模組大面積壓力燒結銀DECA610-11W大面積壓力燒結銀材料，專門爲超高導熱要求的應用設計，如 SiC 、 GaN 、 IGBT 等功率半導體模組。可用於大尺寸芯片與 AMB 基板燒結、模組與散熱片（如 AMB 基板與鋁或銅散熱片）燒結。其有着優秀的印刷作業性，低至200℃、10MPa的燒結溫度和壓力以保證功率模塊在壓力燒結中不被損壞，低氣孔率，高可靠性。圖源：帝科湃泰SiC模組壓力燒結工藝流程圖圖源：帝科湃泰DECA610-11W燒結緻密，氣孔率低於2%DECA600-08B120：聚合物輔助無壓燒結銀DECA600-08B120是一款用於半導體芯片粘接的無壓燒結銀材料，專門爲超高導熱要求的芯片封裝設計。主要應用於SiC、GaN、IGBT、功率MOSFET、射頻PA、特種高功率LED等芯片的粘接。其有着200W/m·K超高導熱率, 優異的260℃高溫粘接力提供了優異的抗迴流焊分層能力。圖源：帝科湃泰DECA600-08B120有着車規級高可靠性，通過TC1000測試（-65~+150℃），無分層開裂。4結語帝科股份作爲全球領先的高性能電子漿料供應商，在太陽能光伏導電漿料、半導體封裝漿料、電子元器件漿料領域深耕多年，有着豐富的技術積累和應用經驗。帝科股份在半導體封裝領域，除了LED/IC芯片封裝銀膠等成熟產品線之外，聚焦開發功率半導體封裝用低溫燒結、低溫連接技術，在燒結銀材料的研發及產業化方面已經走在行業前列，並持續推陳出新以滿足市場不斷變化的需求。在功率半導體封裝用燒結銀產品取得階段性成功的基礎上，帝科股份憑藉在光伏與電子領域銅基漿料開發與應用經驗，積極加大燒結銅研發力度，以滿足碳化硅等功率半導體技術長期可持續發展需求。*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅爲了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯繫半導體行業觀察。今天是《半導體行業觀察》爲您分享的第4064期內容，歡迎關注。加星標??第一時間看推送，小號防走丟求推薦

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