隨著新能源汽車、5G通信、工業(yè)電源等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芄β势骷男枨蠹ぴ?，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導(dǎo)體成為行業(yè)核心驅(qū)動力。然而，傳統(tǒng)封裝技術(shù)在高功率密度、高溫環(huán)境下的可靠性瓶頸日益凸顯，銅燒結(jié)互連技術(shù)憑借其成本優(yōu)勢、高可靠性和工藝兼容性，正成為新一代半導(dǎo)體封裝的關(guān)鍵解決方案。

銅燒結(jié)技術(shù)的背景與優(yōu)勢

1. 第三代半導(dǎo)體的封裝挑戰(zhàn)

第三代半導(dǎo)體器件（如SiC MOSFET）的工作溫度可超過250°C，甚至達(dá)到320°C的極端工況，而傳統(tǒng)錫基焊料的熔點不足250°C，且易因高溫蠕變失效。此外，銀燒結(jié)技術(shù)雖能耐受高溫，但其高成本和電遷移問題限制了大規(guī)模應(yīng)用，且燒結(jié)銀能夠適配的界面結(jié)構(gòu)種類有限，往往要求在基板表面做銀、金鍍層處理，過度復(fù)雜的界面連接結(jié)構(gòu)和表面處理工藝不光會造成成本的上漲，更會帶來潛在的界面破壞風(fēng)險，從而對器件的長期可靠性形成威脅。

2. 銅燒結(jié)的核心優(yōu)勢

銅燒結(jié)技術(shù)通過納米銅顆粒的低溫?zé)Y(jié)（180-300°C）實現(xiàn)“低溫互連、高溫服役”，具有以下優(yōu)勢：

v成本效益：銅材料成本不到銀的1/50，尤其適用于大面積互連場景；

v性能匹配：銅的熱導(dǎo)率（401 W/m·K）和電導(dǎo)率（5.96×10? S/m）與銀接近，且熱膨脹系數(shù)（17 ppm/K）更接近SiC芯片（4 ppm/K）和陶瓷基板（7 ppm/K），減少熱應(yīng)力；

v可靠性提升：研究表明，銅燒結(jié)模塊的功率循環(huán)壽命比銀燒結(jié)高30%（如下圖），且孔隙率可控制在15%以下，界面穩(wěn)定性更優(yōu)。

關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

1. 新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)

在800V高壓平臺和SiC逆變器的推動下，銅燒結(jié)技術(shù)成為車規(guī)級功率模塊的首選方案。例如：

基本半導(dǎo)體：其銅燒結(jié)碳化硅模塊在熱沖擊測試中壽命超過銀燒結(jié)模塊30%，功率循環(huán)可靠性顯著提升，已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化準(zhǔn)備階段；

采埃孚：采用銅燒結(jié)的CIPB（Chip Inlay Power Board）技術(shù)，功率密度超過120 kW/L，雜散電感降低65%，適配高密度車載逆變器設(shè)計。

2. 工業(yè)電源與高頻器件

銅燒結(jié)技術(shù)的高導(dǎo)熱性（200-300 W/m·K）和低電阻率（<15μΩ·cm）可有效保證散熱降低結(jié)溫、降低功率損耗，適用于工業(yè)電源等高壓大電流場景和數(shù)據(jù)中心電源、光伏逆變器等高頻場景。

3. 射頻與光電子器件

納米銅膏的無壓燒結(jié)技術(shù)（孔隙率可控）在射頻器件和小尺寸芯片封裝中展現(xiàn)出潛力，例如GaN射頻模塊的銅夾（Clip）互連，可減少寄生電感并提升散熱效率。

技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案

1、氧化問題

納米銅顆粒易氧化，影響燒結(jié)質(zhì)量，一方面整體配方相對銀燒結(jié)要引入防氧化組分，另一方面可能要在還原性氣氛中進(jìn)行燒結(jié)抑制氧化。

2、工藝條件

銅原子本身擴(kuò)散系數(shù)低，燒結(jié)難度更高，需要的燒結(jié)驅(qū)動力更大，燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間要求目前整體略高于銀燒結(jié)。

3、設(shè)備與工藝兼容性

現(xiàn)有銀燒結(jié)設(shè)備需通過升級氣氛控制系統(tǒng)兼容銅燒結(jié)工藝，降低產(chǎn)線改造成本。

結(jié)語

銅燒結(jié)互連技術(shù)正逐步取代銀燒結(jié)，成為高性能半導(dǎo)體封裝的主流方案。其在成本、可靠性和工藝兼容性上的綜合優(yōu)勢，將加速第三代半導(dǎo)體在新能源汽車、工業(yè)電源等領(lǐng)域的普及。隨著材料科學(xué)和工藝設(shè)備的持續(xù)突破，銅燒結(jié)技術(shù)有望在未來幾年內(nèi)實現(xiàn)全面產(chǎn)業(yè)化，推動半導(dǎo)體封裝技術(shù)邁入新紀(jì)元。

參考資料：基本半導(dǎo)體銅燒結(jié)技術(shù)在碳化硅功率模塊中的應(yīng)用，https://www.eepw.com.cn/article/202407/461128.htm