碳化硅功率模块（银烧结）内部结构示意图

目前一般使用 SnAg（锡银）、SnAgCu（锡银铜）合金焊料替代锡铅焊料(焊层）。 SnAg焊料成分比为 Sn:Ag=96.5:3.5，熔点为 221 ℃；SnAgCu焊料成分比 Sn:Ag:Cu=96.5:3:0.5，熔点为 217 ℃[2]。 由于 SnAg 焊料熔点相对较高， 为了防止二次回流焊接时 SnAg 焊料熔化，因此 SnAg 焊料一般用于一次回流焊接， 用于芯片和 DBC 之间的连接；SnAgCu 一般用于二次回流焊接，用于 DBC 和底板之间的连接。

 1  铝线键合技术

1）工艺介绍及材料分析：

工艺原理：采用超声波楔形键合工艺（20-60kHz 高频振动），在室温下通过机械摩擦破除铝线表面氧化层，实现芯片铝基焊盘与外部端子的冷焊接。流程包括：焊盘定位→第一键合点楔合→线弧成型→第二键合点楔合→引线切断。核心材料：纯度 99.99% 的铝线，可添加 1% 硅增强强度（适配小直径线），直径覆盖 25μm（细铝线）至 500μm（粗铝线），粗铝线直径为 400μm、500μm。

2）优劣势分析

优势：材料成本极低，资源储备丰富；与 IGBT 芯片铝电极形成稳定固溶体，接触电阻≤0.5mΩ・cm²，无有害金属间化合物生成；延展性优异（延伸率＞20%），可通过塑性变形吸收热应力。

劣势：电阻率较高（2.65×10⁻⁸Ω・m），500μm 铝线载流量仅 23A，大电流场景需多线并行（如 100A 需 4-5 根），增加寄生电感；热膨胀系数（23×10⁻⁶K⁻¹）与硅芯片（3.5×10⁻⁶K⁻¹）差异显著，长期循环易导致键合点脱落。

常见失效：键合跟部裂纹 → 剥离。

3）工艺难点：

铝表面氧化层（Al₂O₃）硬度高，需精确匹配超声波能量（200-500mW）、键合压力（50-150mN），能量不足易虚焊，过高则损伤芯片；粗铝线（＞300μm）线弧控制难度大，易出现弧垂短路，需优化送线速度（10-20mm/s）与张力（5-10g）。

键合的焊接影响深度约为 1%线径， 因此对于一些需要电镀或者化学镀的键合表面，其镀层厚度必须大于这个 1%线径厚度， 因此铝线键合工艺对表面金属层的厚度要求一般大于 5 μm。

铝线中一般会根据使用要求，掺杂一些微量金属元素来改善铝线的性能：硅、镁（提高机械强度、疲劳强度），铬、镍（提高耐腐蚀性）。

4）应用场合：工业 IGBT 模块（如变频器、UPS）、光伏逆变器等中低功率场景。

 2  金线键合技术

1）工艺介绍及材料分析工艺原理：采用热超声球焊工艺，金线经电火花烧球后，在 150-250℃、超声能量与压力协同作用下，实现球型键合点与焊盘的冶金结合。核心材料：纯度 99.99% 的金线，直径常用 25-50μm，部分高压场景使用 100μm 粗金线，表面无氧化层（金化学稳定性优异）。

2）优劣势分析

优势：导电性优于铝线（电阻率 2.4×10⁻⁸Ω・m），相同直径载流量比铝线高 15%；热膨胀系数（14.2×10⁻⁶K⁻¹）更接近硅芯片，热应力匹配性好；工艺成熟，良率可达 99.5% 以上。

劣势：成本极高（金价约 800 元 / 克，单根 50μm 金线成本 0.3 元），模块键合成本占比超 30%；与铝焊盘结合易生成 AuAl₂金属间化合物，150℃下 1000 小时后接触电阻增长 3 倍；抗电迁移能力弱，高电流密度下易出现熔断失效。

常见失效：Au-Al IMC 脆化 → 球焊点断裂

3）工艺难点：

烧球质量控制：需精准调节电火花能量（5-15mA）与时间（1-3ms），确保球径为线径的 2-3 倍；金属间化合物抑制：需控制键合温度≤200℃，并采用镀金焊盘（成本增加 20%）。

4）应用场合：高端消费电子功率芯片（如手机快充 IC）、航天级功率模块，典型案例包括 TI UCC28950 电源芯片封装。

 3  DTS（Die Top System）芯片顶部系统技术

1）工艺介绍及材料分析

工艺原理：贺利氏推出的DTS技术，主要是通过有压银烧结的方式，将铜箔带（硬度 HV≤80，铜箔需做钝化处理防止氧化）有预涂银膏的组合与芯片连接（避免劈刀与芯片的直接接触）。在模块制造过程中，先在基板上放置芯片，再将 DTS 热贴在芯片表面（需镍金镀层），之后可以选择先将芯片烧结到衬板上，然后热帖 DTS 再次烧结，也可以将芯片和 DTS 按照顺序先后贴好一起烧结。通过这种方式，铜线键合到芯片源极的过程就被替换成铜线键合到 DTS 铜箔上，既保证了铜线与芯片互连的可行性，又能将芯片电流产生的热量均匀地分布到整个芯片表面，降低芯片局部温度峰值，改善电热性能。

DTS工艺结构原理

材料构成：DTS 预烧结银焊片是一种复合材料，主要由以下四个部分组成：

2）优劣势分析

优势：DTS 将“芯片背面银烧结 + 顶部铜箔银烧结（均匀分布热量） + 粗铜线键合”组合成双面铜-铜导热路径，顶部热阻再降 60 %，界面分层风险降低 80 %，芯片峰值结温降低 10–15 K，等效寿命呈指数级延长。芯片表面温度降低 10℃，功率循环寿命提升 67 倍（ΔTj=130K 时达 67000 次）；支持 400μm 粗铜线键合，单根载流量达 40A，寄生电感降低 30%；铜箔均匀分布电流，避免芯片局部过热。

劣势：两步烧结需等离子清洗（增加 30s / 片工艺时间），否则银层粘附力下降 50%；对芯片镀层要求高（需镍金或银镀层），芯片成本增加 15%。

常见失效：AMB 与散热器界面空洞（非铜线本身），失效首先出现在芯片表面铝金属化或铜箔下烧结层，而非铜线本身；采用更软铜箔和预贴 A 型银膏后，可将损伤转移至烧结层而非芯片，寿命进一步提升。

高低温冲击：DTS 结构在相同冲击 2500 次后，裸铜 AMB 键合点强度退化，但镀银 AMB 因界面金属间化合物增强，剪切力反而提高，显示 DTS 对基板材质容忍度更高。

热机械应力：DTS 通过顶部铜箔均匀分布热量，热机械应力峰值比铝线结构降低 40 %，界面分层风险降低 80 %，温度循环寿命提升 400 %。

3）工艺难点

烧结均一性控制：芯片与 DTS 厚度差导致边缘压力不足，需采用弹性压头（硅胶硬度 Shore A 70）补偿；铜箔定位精度：偏差需＜50μm，否则遮挡门极焊盘，需视觉定位系统（精度 ±10μm）。

4）应用场合：车规 SiC 模块（如主驱逆变器），典型案例包括丹佛斯 SiC MOSFET 模块、特斯拉 TPAK 2.0 模块。

 4  银烧结技术

钎焊工艺对比银烧结工艺

1）工艺原理：低温加压烧结（250-320℃、10-30MPa），纳米银颗粒（粒径 20-50nm）通过原子扩散形成致密连接层，孔隙率＜3%。分银浆印刷法（适合大面积）与银膜转印法（适合高精度）。核心材料：纳米银粉（纯度 99.9%）、有机载体（含松油醇、乙基纤维素），银浆固含量 70-85%。

2）优劣势分析

优势：热导率达 240W/(m・K)，是锡焊的 3 倍，界面电阻＜0.1mΩ・cm²；耐高温（熔点 962℃），支持 SiC 芯片 250℃长期工作；无铅环保，符合 RoHS 2.0 指令。银烧结工艺形成的冶金结合层具有更高的强度和更好的耐热循环性能，能够有效抵抗热应力和机械应力，提高模块的耐久性。

劣势：银粉成本高，单模块材料成本占比 60%；与 DBC 基板（Al₂O₃）热膨胀系数差异大（银 19×10⁻⁶K⁻¹ vs 陶瓷 7×10⁻⁶K⁻¹），易产生裂纹。银烧结虽具备高熔点、高导热优势，但缺乏顶部铜“热扩散板”，局部热点仍集中在芯片中心，老化速率高于 DTS。

常见失效：烧结层微空洞 + 银迁移，循环疲劳后空洞仍集中在烧结层内部，且银-硅 CTE 差（18 ppm vs 2.6 ppm）易产生剪切应力，最终 Vce↑5 % 多由烧结层微裂纹扩展引起。

高低温冲击：银烧结层在 -55 °C ↔ 250 °C 温度冲击 1500 次后表面粗糙，但仍保持完整；DBC/DBA 基板未分层。

3）工艺难点

空洞控制：烧结前需梯度预热（80℃/10min→150℃/5min）去除溶剂，否则空洞率超 5%；芯片损伤防护：SiC 芯片抗压强度低（400MPa），需精准控制压力（＜30MPa），采用分步加压工艺（5MPa→20MPa）。

4）应用场合：车规主驱逆变器、航空航天功率模块，典型案例包括比亚迪 SiC 模块、三菱 CM400DY-24S 模块。

 5  铜烧结技术

采用BP（Back Propagation）神经网络预测和遗 传算法反向求解铜线键合点最优键合工艺参数值，为 功率模块铜线键合的工艺参数优化设计提供了一种新方法

1）工艺介绍及材料分析

工艺原理：低温无压 / 低压烧结（200-250℃、0-5MPa），铜粉表面涂覆抗氧化剂（苯并三氮唑），在氮气氛围（氧含量＜100ppm）下实现原子扩散连接。核心材料：微米铜粉（粒径 1-5μm）、抗氧化浆料，部分工艺使用纳米铜粉（粒径 50nm）提升烧结活性。

2）优劣势分析

优势：成本极低（铜粉 0.5 元 / 克），单模块成本仅为银烧结的 1/5；热膨胀系数（16.7×10⁻⁶K⁻¹）与 SiC 芯片（4.5×10⁻⁶K⁻¹）匹配性优于银；抗电迁移能力强，200℃下寿命是银烧结的 3 倍。

劣势：烧结环境要求严苛，需真空氮气设备（增加设备投资 200 万元）；量产良率较低（约 85%），主要因铜粉容易氧化导致虚焊。

常见失效：芯片正面 Al 金属化微裂纹（非铜层）

3） 工艺难点

氧化控制：需全程控制氧含量＜50ppm，烧结后冷却速率≤5℃/min 防止氧化；致密性提升：无压烧结孔隙率达 10-15%，需添加微量镍粉（5%）形成合金相，孔隙率可降至 5% 以下。

4）应用场合：光伏逆变器、储能变流器等成本敏感型大功率场景，典型案例包括阳光电源 SG3500 逆变器、宁德时代储能模块。

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