在更小的器件尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的功能、集成更高的功率，需要充分借助各類適用技術(shù)的力量。燒結(jié)技術(shù)便是其中之一，它作為一種成熟的焊接替代方案，雖然會(huì)增加工藝復(fù)雜度，卻能解決諸多焊接技術(shù)難以攻克的難題。

燒結(jié)技術(shù)在高功率密度電力電子器件的研發(fā)與生產(chǎn)中，扮演著至關(guān)重要的角色。它能為功率半導(dǎo)體器件（如碳化硅 SiC 或氮化鎵 GaN 芯片）與基板、引線框架或散熱器之間，提供一種穩(wěn)固、高導(dǎo)熱且可靠性強(qiáng)的連接方式 —— 尤其是在焊接技術(shù)已達(dá)性能極限的嚴(yán)苛應(yīng)用場(chǎng)景中（例如，工作溫度接近部分焊料熔點(diǎn)的環(huán)境）。

1. 表格比較了電力電子應(yīng)用中燒結(jié)和焊接的熱和電性能。

這里的燒結(jié)通常指在低于熔點(diǎn)溫度下，對(duì)納米銀或其他金屬顆粒進(jìn)行壓力輔助或無(wú)壓鍵結(jié)合。該工藝通過(guò)原子擴(kuò)散在表面間形成致密的金屬鍵，形成具有高熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率及優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度的接頭。

燒結(jié)在高密度電力電子中的作用是什么？

• 提升導(dǎo)熱性能：燒結(jié)銀的熱導(dǎo)率為~200至250 W/m·K，遠(yuǎn)高于典型焊錫（~50 W/m·K）。這有助于更有效地散熱高功率芯片，支持更高的功率密度和更小的外形尺寸。

• 增強(qiáng)可靠性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度： 燒結(jié)接頭無(wú)空隙且耐裂紋，在熱循環(huán)和振動(dòng)下提供更佳的疲勞性能。同樣，燒結(jié)具有優(yōu)異的電遷移和耐腐蝕性，非常適合惡劣環(huán)境（電動(dòng)車、航空航天、可再生能源）。

• 實(shí)現(xiàn)高溫穩(wěn)定運(yùn)行：燒結(jié)材料可承受工作溫度>250°C，遠(yuǎn)超無(wú)鉛焊錫極限。這對(duì)于寬帶隙半導(dǎo)體如SiC和GaN來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈児ぷ髟诟叩慕Y(jié)溫下。

2. 燒結(jié)和焊接連接的近似工作溫度范圍。

燒結(jié)什么時(shí)候是最佳選擇？

燒結(jié)在以下情況下更為優(yōu)選：

• 功率密度高，散熱至關(guān)重要。

• 工作溫度超過(guò)200°C（例如SiC逆變器、電動(dòng)牽引系統(tǒng)）。

• 熱循環(huán)下的可靠性是首要任務(wù)。

• 傳統(tǒng)焊點(diǎn)容易失效，尤其是在高電流或振動(dòng)下。

• 關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)需要較長(zhǎng)的運(yùn)行壽命（20+年）。

權(quán)衡取舍

• 費(fèi)用：燒結(jié)（尤其是銀）比焊接更貴。

• 處理復(fù)雜度： 可能需要壓力、惰性環(huán)境或嚴(yán)格的工藝控制。

• 裝備：批量生產(chǎn)可能需要專用燒結(jié)設(shè)備。

燒結(jié)技術(shù)的前景發(fā)展

高密度電力電子燒結(jié)的最新和新興發(fā)展解決了成本、可擴(kuò)展性和性能等關(guān)鍵挑戰(zhàn)，同時(shí)開(kāi)啟了緊湊、高可靠性系統(tǒng)的新可能。以下是一些最有前景的創(chuàng)新：

• 低溫?zé)o壓燒結(jié)

新型銀漿和納米配方允許在200°C<燒結(jié)而無(wú)需外部壓力。這減少了對(duì)敏感基材（如陶瓷、聚合物雜質(zhì)）的應(yīng)力，并實(shí)現(xiàn)多層或多粒模具的同時(shí)共燒結(jié)。它非常適合自動(dòng)化、高通量的裝配線。

• 銅燒結(jié)（農(nóng)業(yè)替代）

銅納米顆粒燒結(jié)正作為銀的低成本替代品，具有相當(dāng)?shù)臒釋?dǎo)率和電導(dǎo)率。該技術(shù)需要無(wú)氧加工或表面處理以防止氧化。它通常適用于考慮成本限制或農(nóng)業(yè)遷移的應(yīng)用（例如汽車、消費(fèi)級(jí)電力電子）。

• 混合燒結(jié)材料

復(fù)合燒結(jié)膏（如Ag-Cu、Ag-石墨烯、Ag-Sn）的開(kāi)發(fā)結(jié)合了多種材料的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)調(diào)校以優(yōu)化熱膨脹、減少空隙并增強(qiáng)接頭延展性，從而提升抗沖擊和抗應(yīng)變能力。這為堅(jiān)固電子領(lǐng)域帶來(lái)了希望，如航空航天和國(guó)防系統(tǒng)。

• 原位監(jiān)測(cè)與基于人工智能的控制

將實(shí)時(shí)感測(cè)（溫度、壓力、電阻）集成到燒結(jié)平臺(tái)中，可以使燒結(jié)更為實(shí)用。AI/機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的工藝優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了預(yù)測(cè)性質(zhì)量控制，減少缺陷并提高良率。這在多芯片電源模塊和先進(jìn)封裝（如堆疊芯片）中尤為有價(jià)值。

• 三維燒結(jié)互連與印刷動(dòng)力結(jié)構(gòu)

高電流、高密度模塊的三維燒結(jié)金屬特征（通孔、凸起和互連）增材制造支持垂直功率模塊架構(gòu)和先進(jìn)冷卻策略（如嵌入式微通道）。它能夠?qū)崿F(xiàn)功率、邏輯和被動(dòng)元件的超緊湊型共封。

• 增強(qiáng)散熱基底

燒結(jié)正與金剛石、石墨烯或氮化鋁（AlN）基底結(jié)合，形成超高性能熱堆棧。這有助于提升硅碳逆變器和電動(dòng)汽車快充等設(shè)備的熱通量管理。采用梯度燒結(jié)層的定制界面可降低熱膨脹不匹配和分層風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)論

燒結(jié)可以成為高可靠性、高溫、高密度功率模塊的關(guān)鍵推動(dòng)力。燒結(jié)越來(lái)越多地被電動(dòng)車、航空航天和可再生能源轉(zhuǎn)換器采用，這些領(lǐng)域因性能和耐用性而值得承擔(dān)的復(fù)雜性和成本。