提高功率密度的多種燒結選項

—— 耐受熱量和幫助降低熱量是燒結作為電力電子應用中焊接替代方案提供的屬性。

作者：時間：2025-11-07 來源：

事半功倍，當然，將更多功能封裝到更小的外形中意味著利用任何適用的技術。其中一項技術是燒結，這是一種成熟的焊接替代方案。燒結可以增加復雜性，但也可以解決許多問題。

燒結在實現高密度電力電子方面發揮著至關重要的作用。它提供了一種穩健、導熱且可靠的方法，用于將功率半導體器件（例如 SiC 或 GaN 芯片）連接到基板、引線框架或散熱器上，特別是在焊接達到極限的苛刻應用中（例如，工作溫度可能接近某些焊料的熔點）。

1. 該表比較了電力電子應用中燒結和焊接的熱性能和電性能。

在這種情況下，燒結通常是指納米銀或其他金屬顆粒在低于熔點的溫度下進行壓力輔助或無壓鍵合。該工藝通過原子擴散在表面之間形成致密的金屬鍵，形成具有高導熱性和導電性以及優異機械強度的接頭。

燒結在高密度電力電子中的作用是什么？

提高導熱性：燒結銀的導熱系數為 ~200 至 250 W/m·K，遠遠超過典型焊料（~50 W/m·K）。這有助于更有效地散熱大功率芯片的熱量，支持更高的功率密度和更小的外形尺寸。
高可靠性和強度：燒結接頭無空隙且抗裂，在熱循環和振動下提供更好的疲勞性能。同樣，燒結具有出色的電遷移性和耐腐蝕性，非常適合惡劣環境（電動汽車、航空航天、可再生能源）。
高溫運行：燒結材料可以承受 >250°C 的工作溫度，遠遠超過無鉛焊料極限。這對于在較高結溫下工作的 SiC 和 GaN 等寬禁帶半導體至關重要。

2. 燒結和焊接連接的大致工作溫度范圍。

在以下情況下首選燒結：

高密度電力電子燒結的最新和新興發展解決了關鍵挑戰——成本、可擴展性和性能——同時為緊湊、高可靠性系統開啟了新的可能性。以下是一些最有前途的創新：

新的銀漿和納米配方允許在< 200°C 下燒結，無需外部壓力。這減少了敏感基材（例如陶瓷、聚合物雜化物）上的應力，并能夠同時共燒結多層或芯片。它非常適合自動化、高通量裝配線。

銅納米顆粒燒結正在成為銀的低成本替代品，具有相當的導熱性/導電性。該技術需要進行無氧加工或表面處理以防止氧化。它通常適用于擔心成本限制或銀遷移的應用（例如，汽車、消費電子）。

復合燒結漿料（例如Ag-Cu、Ag-石墨烯、Ag-Sn）的開發結合了多種材料的優點，這些材料經過調整以優化熱膨脹、減少空隙并增強接頭延展性，從而提高抗沖擊/應變能力。這為航空航天和國防系統等堅固耐用的電子產品帶來了希望。

將實時傳感（溫度、壓力、電阻）集成到燒結平臺中可以使燒結更加實用。AI/ML 驅動的流程優化可實現預測性質量控制，減少缺陷并提高產量。這在多芯片功率模塊和先進封裝（例如堆疊芯片）中尤其有價值。

用于大電流、高密度模塊的 3D 燒結金屬特征（過孔、凸塊和互連）的增材制造支持垂直電源模塊架構和高級冷卻策略（例如嵌入式微通道）。它可以以超緊湊的格式將電源、邏輯和無源元件共同封裝。

燒結正在與金剛石、石墨烯或氮化鋁（AlN）襯底相結合，以創建超高性能熱堆棧。這可以促進 SiC 逆變器和電動汽車快速充電器等設備的熱通量管理。使用梯度燒結層的定制界面可降低熱膨脹失配和分層風險。

燒結可以成為高可靠性、高溫、高密度功率模塊的關鍵推動因素。它越來越多地被用于電動汽車、航空航天和可再生能源轉換器，這些領域的性能和壽命證明了增加的復雜性和成本是合理的。