一文读懂！铜烧结的优劣势

前段时间，基本半导体率先在碳化硅模块中导入铜烧结技术，引发热议（链接）。那么，铜烧结相比银烧结有哪些优势？铜烧结的技术存在哪些技术挑战？

近日，清连科技发布了多篇文章，对银烧结和铜烧结的技术原理、优势及面临的挑战进行了深入剖析，“行家说三代半”摘取其中主要观点，详细内容大家可以往下看：

除了芯片正面和背面外，陶瓷基板和散热板之间的大面积烧结正在流行。

银烧结在封装成本中的占比将越来越高，而且大面积烧结往往需要进行选择性镀银，工艺复杂度和成本均会大幅上升。

铜烧结面临的主要挑战是纳米尺度上的氧化问题，但铜烧结技术正处于成熟阶段，国内外众多厂商正积极开展相关尝试。

无压烧结目前在碳化硅二极管、射频器件等得到了一定的应用，但是在芯片正面互连用的铜夹有很大的潜力。

银烧结/铜烧结应用场景扩大

在SiC模块中，银烧结或者铜烧结技术主要用于芯片的正面和背面互连，以及AMB（活性金属钎焊）基板与散热板之间的互连。

最初，银/铜烧结技术被应用于SiC芯片背面与AMB陶瓷基板的互连。

随着电流需求的增加，传统的铝线已无法满足需求，在芯片正面打铜线或者用铜带互连是理想的选择，芯片顶部连接是银烧结或铜烧结技术的第二个应用场景。

同时，AMB陶瓷基板和散热板之间的系统级烧结，目前主要采用锡焊料技术，但国内很多车企和模块封装厂都在积极尝试用大面积烧结技术实现互连，来满足模块高可靠封装的要求，这是烧结技术在碳化硅模块中的第三个应用场景。

银烧结的优劣势分析

传统IGBT芯片的互连主要采用锡的回流焊，但是焊锡的缺点是：使用温度永远在焊接温度之下，导致无法满足SiC芯片所需要的175℃以上的工作温度要求。

而银烧结技术利用纳米颗粒的尺寸效应，在施加适宜的温度、压力和时间条件下，形成高导电、高导热的烧结体，就是业界经常说的低温连接、高温服役，可以在180-250℃实现互连，工作温度范围为200-500℃以上。

而且银的优异导电性和抗氧化性，使其在高温环境下依然保持性能稳定，满足SiC模块的严苛要求。

尽管银烧结技术具有诸多优势，但其成本相对较高，而且未来随着碳化硅芯片成本的降低，银烧结在封装成本中的占比会越来越高，尤其是随着大面积烧结的应用，用户一定会关心银烧结的成本问题。

这是因为银烧结工艺在追求质量的过程中，往往需要在活性金属钎焊（AMB）基板上进行选择性镀银，这一步骤无疑增加了成本。在进行系统级烧结时，若需再次镀银，则工艺复杂度和成本均会大幅上升，尤其是面对大面积应用时。

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铜烧结的优劣势分析

铜烧结技术以其成本效益和热膨胀系数匹配性受到市场关注。与银烧结相比，铜烧结在导电性和导热性上相近，但成本更低，有助于降低SiC模块的整体封装成本。

此外，清连科技指出，铜烧结还有几个优势：

将贵金属银替换为铜后，互连界面的整体热膨胀系数（CTE）将得到更好的匹配。

与此同时，铜烧结的成本显著低于银烧结，而两者在导电性和导热性方面的表现却极为相近。

可靠性方面，已有研究显示，在进行功率循环测试时，铜烧结相较于银烧结展现出不同的失效模式和更长的循环寿命。这些研究成果为铜烧结技术在电力电子领域的应用提供了有力的数据支持。

清连铜烧结剪切强度（芯片镀层Ag，氮气气氛15MPa，5min）

但是，现阶段铜烧结面临的主要挑战是：纳米尺度上的氧化问题。

为应对这一挑战，行业正通过改进材料配方和设备设计，提高烧结过程中的防氧化能力，确保铜烧结产品的质量和可靠性。

从铜烧结技术的应用角度来看，主要通过两种策略来解决氧化问题：

首先是从材料层面着手，通过优化膏体配方来降低氧化风险；

其次是从设备角度出发，确保烧结设备具备有效的防氧化功能。

此外，一种更为先进的解决方案是在烧结工艺的预热和热贴阶段，通过烧结设备的还原能力来中和氧化反应，从而生产出更高质量的铜烧结产品。

目前，铜烧结技术正处于成熟阶段，国内外众多厂商正积极开展相关尝试。清连科技与国内功率模块制造商的合作已持续两年，并已进入量产准备阶段。

纳米铜氧化与还原效果前后对比

无压烧结的市场潜力

现在碳化硅的模块基本没有在用无压银烧结，大家经常问不加压行不行？

无压烧结通常用的是点胶方式，相比于有压烧结，顾名思义就是在烧结的时候不需要辅助压力，不给它辅助压力以后，其烧结体孔隙率较高，可靠性低于有压烧结。

目前无压烧结适用的芯片尺寸还比较小，大了以后容易产生孔洞等缺陷，所以目前在碳化硅二极管、射频器件等得到了一定的应用。

但是无压烧结在芯片正面互连用的铜夹（Clip）有很大的潜力。据了解，目前清连科技正在积极配合客户做这一块的验证，铜夹（Clip）加烧结工艺有望进一步提升模块的可靠性。

无压烧结产品使用与烧结互连后截面组织

清连科技烧结技术进展

银/铜烧结技术是SiC为代表的高性能芯片封装的高门槛核心技术。

据介绍，清连科技致力于高性能芯片高可靠封装解决方案，是一家产业巨头投资并孵化的企业，拥有数十名研发人员，其中有4名核心研发人员博士毕业于清华大学，属于国际上最早研究银/铜烧结技术团队之一，其产品已全面覆盖了当前市面所有纳米金属烧结技术相关产品。

该公司已与众多头部企业深度技术合作、产品开发，有望实现高端封装材料与装备全国产化替代。依托近20年银/铜烧结材料与设备研发基础，清连科技自主开发了对标欧美产品的银烧结材料与设备，并解决了当前银烧结存在的痛点:此外，该公司还是国内外极少数掌握铜烧结全套解决方案(封装材料+封装装备+工艺)的半导体公司之一，并拥有丰富的器件可靠性评价经验。

值得一提的是，清连科技已正式参编《2024碳化硅（SiC）产业调研白皮书》，将与众多行家企业一起深入剖析碳化硅产业脉络。《白皮书》将于今年12月中旬发布，届时也将深入展示清连科技的SiC最新进展和布局。

除清连科技外，合盛新材料、芯聚能、安海半导体、三安半导体、烁科晶体、天岳先进、恒普技术、华卓精科、快克芯装备、青禾晶元、东尼电子、科友半导体、长联半导体、致领半导体、奥亿达新材料、瑞霏光电、才道精密、亿值旺、纯水一号、中科光智、中电化合物、森国科、清软微视、士兰微等已正式参编《2024碳化硅（SiC）产业调研白皮书》，期待更多SiC领域的行家企业加入，共同推进碳化硅半导体产业发展，了解更多详情请扫描海报二维码。

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