田中貴金屬科技株式會社銀膠全球研發高級經理安倍晉太郎解釋了實現高溫無壓模具連接的材料突破。

隨著寬禁帶（WBG）半導體加速進入主流電力電子領域，封裝可靠性已成為最關鍵的限制因素之一。對于工作在200°C以上的SiC MOSFET和GaN HEMTs，芯片連接層面臨極端的熱、機械和化學應力——這些條件遠超傳統焊錫或環氧膠所能承受的范圍。

田中公司回應了這一創新，推出了混合銀膠粘劑，該膠體設計具有高導熱率、200°C以上的強結合力、無壓力加工及長期耐疲勞性。

田中高級研發經理阿部慎太郎表示，這一創新源于同時解決兩個挑戰：實現銀在樹脂環境中燒結，以及控制燒結網絡中的樹脂分布。“我們制造了用樹脂燒結的銀填充劑——這通常是不可能的，”阿部說。

安倍解釋說，第一個重大突破是允許銀顆粒在樹脂存在下燒結，而樹脂通常阻止燒結：“樹脂內部燒結通常很難，因為樹脂阻礙了燒結過程，”阿部說。通過精確控制樹脂的熱行為及其與銀顆粒的相互作用，我們使銀填充劑在加工過程中能夠在樹脂內燒結。”

第二個突破是微觀結構的工程設計：“我們成功控制了燒結銀結構中樹脂的分布，”安倍說。樹脂并非均勻分散，而是選擇性地作為銀燒結網絡中的基體分布。”

田中僅將樹脂放置在需要的位置，創造了一個在顯著降低彈性模量的同時保持高熱導率的復合系統。“這兩項創新同時實現，使我們能夠保持高熱導率，并增強機械靈活性以實現長期可靠性。傳統樹脂基膠水在溫度超過200°C時會失去大部分粘結強度——因此我們不得不結合粘附和燒結，“阿部解釋道。

高溫可靠性是寬禁帶功率模塊面臨的一大挑戰。傳統銀膠水高度依賴氫鍵，氫鍵在高溫下會塌陷。安倍解釋了失效機制：“在高溫——超過200攝氏度——依賴氫鍵的粘合系統效果不佳。這意味著剪切強度會降低。”

為此，田中將燒結銀技術與銀粘附化學結合結合。“我們結合了燒結技術和粘附技術。這使得即使在超過200oC的溫度下也能保持良好的粘結強度，同時樹脂在熱循環過程中分散應力。”

最終材料形成穩定結構，能減少熱機械疲勞，尤其是在銅基和陶瓷基動力基板中。

空隙控制

空隙會降低導電性和可靠性，尤其是在高功率模塊中。安倍描述他們的戰略：“我們首先提高銀填充劑的填充密度。各種不同尺寸和形狀的銀顆粒被填充以提高密度。”燒結后，樹脂熔化并滲透到微空隙空間，形成更致密、更穩定的結構，“安倍說。這減少了氧氣和水分的進入。安倍指出：“減少空隙可以防止氧氣和水分進入，進而導致長期劣化。”

無壓燒結

一個關鍵優勢是兼容標準芯片連接工作流程。“壓力輔助燒結需要專用設備。我們的混合燒結技術支持利用現有的加熱系統如批量烤箱實現無壓力加工，“阿貝說。“這讓客戶更容易適應材料，而無需對生產線做出重大改動。”

同樣的導熱膏仍可用于壓力輔助系統，以滿足希望最大化密度的客戶需求。

圖1展示了田中銀模具附著產品線，中心采用了新的混合燒結工藝。圖2展示了混合燒結工藝與其他工藝和材料的比較。

圖1

圖2

基底兼容性

裸銅因其薄且反應性氧化層較薄，是最具挑戰性的結合表面之一。“最難結合的是裸銅，所以我們專注于它，”阿部說“我們的工藝與裸銅高度兼容。它也兼容銀質或金色金屬表面。”

雜交膏需要精確控制銀顆粒的擴散和樹脂-銀的相互作用。Abe指出：“材料的性能高度依賴于成分的混合方式和加工順序。”圖3展示了裸銅優化的推薦固化曲線，該銅也適用于銀和金表面。對于銀和金，在較低溫度（約200°C）下可以實現可靠的鍵合。

圖3

幸運的是，田中的工業設施已有完善的基礎設施：“我們的生產設施在生產各種導彈材料方面擁有豐富經驗。這使我們能夠順利從原型轉向大規模生產，無需大量設備投資。”

除了技術性能，田中還整合了循環材料供應鏈。公司制定了環保且可持續的做法，通過專注于從工業廢料中回收和提煉貴金屬，減少環境影響，實現貴金屬的可持續高效利用。除了環境效益外，循環采購在確保貴重材料的穩定獲取方面也發揮著戰略作用。對于生產量有限且需要強大采購能力的材料，回收有助于加強供應安全，同時有助于減少碳排放，支持更可持續的生產。該方法的關鍵特點是產品由回收貴金屬提煉而成，并采用集團多年開發的先進回收技術和貴金屬分析技術進行優化。此外，應客戶需求，我們能夠提供100%回收貴金屬制成的產品和解決方案，支持可持續發展。“循環經濟和可持續材料供應對我們的客戶非常重要。我們的回收系統和采購能力是關鍵優勢，“安倍說。這種混合膏完全無鉛且無PFAS。

此外，田中還為貴金屬的一切提供“一站式服務”，從金條供應到工藝制造、銷售和回收。

未來方向

隨著包裝技術向更薄的模具和更先進的多層結構發展，田中正在準備下一代膠粘劑。安倍概述了路線圖：“一些客戶目標是模具厚度低于50微米。漿料材料將面臨克服溢出或模具表面污染的關鍵挑戰。”

為此，田中正在優化銀含量，同時保持熱性能和機械性能。“我們正在與客戶及歐洲機構合作，開發下一代包裝。”

材料和加工成本的降低也是關鍵主題：“下一代需求非常復雜，因此我們必須認真跟隨趨勢，同時從材料和工藝兩方面降低成本，”安倍說。

田中的混合銀膠粘劑不僅僅是一種新的粘合材料——它代表了行業對熱性能與機械韌性長期權衡方式的轉變。通過在樹脂框架內實現燒結、優化顆粒包裝并支持無壓加工，該材料直接符合進入大批量市場的SiC/GaN功率模塊需求。

正如Abe所說：“我們的混合燒結膠與下一代電力電子的需求高度契合，長期可靠性和熱效率至關重要。我們將繼續致力于通過應用數十年積累的豐富材料專業知識，為半導體創新做出貢獻。”