2018年標志性的轉變—使用碳化硅MOSFET替換傳統(tǒng)硅基IGBT于主驅逆變器中，為碳化硅技術在電動汽車中的廣泛應用奠定了基礎。此后，多家國內新能源汽車領先品牌紛紛投身碳化硅器件的研發(fā)應用。新技術的不斷涌現(xiàn)，如800V高壓快充，以及新能源汽車市場的持續(xù)擴張，極大促進了碳化硅產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。
在新能源汽車取得巨大成功的背后，碳化硅功率模塊扮演了舉足輕重的角色。從傳統(tǒng)功率模塊轉型到碳化硅功率模塊，對功率電子模塊及其封裝工藝提出了更高的要求，尤其是芯片與基板的連接技術在很大程度上決定了功率模塊的壽命和可靠性。傳統(tǒng)的錫焊料由于熔點低、導熱性差，難以滿足封裝高功率器件在高溫和高功率密度條件下的應用需求。隨著芯片工作溫度要求的不斷提升，至175°C甚至更高，連接技術的機械和熱性能要求也隨之提升。傳統(tǒng)方法中常見使用錫焊將芯片做貼裝的封裝技術已經(jīng)無法滿足大部分碳化硅模塊的應用需求。隨著800V碳化硅技術日益普及，燒結銀技術為汽車電力電子產(chǎn)品封裝提供了革命性的解決方案，其應用前景備受關注。
燒結銀：功率器件封裝的革命性技術
賀利氏作為德國歷史悠久的企業(yè)，一直致力于保持材料技術的創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展。賀利氏電子中國研發(fā)總監(jiān)張靖博士回憶，賀利氏電子燒結銀技術在2007年已經(jīng)相對完善，盡管當時還未發(fā)現(xiàn)具體的應用場景，但公司預見到未來對此類高性能材料的迫切需求，并進行了長遠的技術儲備。到了2015年，隨著純電動汽車的突破性發(fā)展，賀利氏電子的燒結銀技術找到了與碳化硅電驅系統(tǒng)協(xié)同的完美應用場景。
汽車中碳化硅功率模塊的廣泛使用，對封裝材料提出了日益苛刻的要求，特別是需要具備更高熔點、更強耐疲勞性、高熱導率且低電阻率的連接材料。
傳統(tǒng)功率模塊中，芯片通常通過錫焊材料連接到基板。在熱循環(huán)過程中，連接界面通過形成金屬間化合物層完成芯片、錫焊料合金與基板的互聯(lián)。目前電子封裝中常用的無鉛焊料熔點低于250℃，適用于低于150℃的服役溫度。然而，在175-200℃乃至更高的使用溫度下，這些連接層的性能將急速下降甚至熔化，嚴重影響模塊的正常運行和長期可靠性。
張靖博士介紹，燒結銀的獨特優(yōu)勢主要表現(xiàn)在三個方面：高工作溫度—燒結銀的工作溫度可達到300℃，甚至更高；高熱導率—對于碳化硅模塊這類小尺寸、高功率應用，能夠有效導出熱量，提高功率密度；以及高可靠性—其在汽車應用中的車規(guī)級要求極為嚴格，燒結銀的高熔點、低蠕變傾向為整體系統(tǒng)提供了卓越的穩(wěn)定性。燒結銀技術因此非常適合碳化硅功率模塊的封裝，完美滿足了其對高工作溫度、高功率密度和高可靠性的嚴格要求。
自2007年起，賀利氏電子在燒結銀材料的研發(fā)與生產(chǎn)方面走在行業(yè)前沿，提供多款產(chǎn)品以適應各種封裝需求。從mAgic? ASP043、mAgic? PE338，到針對碳化硅應用的mAgic? PE338-28 F1510，賀利氏電子持續(xù)推動技術革新以滿足市場的多樣化需求。
再進化：從芯片貼片到大面積燒結的應用拓展
燒結銀技術作為封裝領域的一個突破，憑借無鉛、環(huán)保性和優(yōu)異的導電導熱性能獲得了廣泛關注。該技術已在市場上得到了大范圍的認可。在逆變器系統(tǒng)中，燒結銀可以被應用于芯片與基板的綁定，例如活性金屬釬焊 (AMB) 氮化硅材料上；或用于DTS燒結芯片頂部處理；或再將功率模塊貼裝到散熱器底板上。
從芯片封裝領域來看，此技術已廣泛普及，很多現(xiàn)有量產(chǎn)或即將量產(chǎn)的車型已經(jīng)采用燒結銀來封裝其碳化硅功率模塊，一些傳統(tǒng)的硅基IGBT考慮到功率密度與可靠性也有時采用燒結銀方案。
因此，燒結銀技術已經(jīng)從最初的小尺寸芯片貼片封裝逐漸過渡到更廣泛的功率模塊大面積應用。賀利氏電子在今年Semicon China 2024發(fā)布的針對功率模塊貼裝的大面積有壓燒結銀材料mAgic? PE350，在較低的燒結條件下展現(xiàn)出色的性能，實現(xiàn)了高效的散熱效果。
“在功率電子材料設計中，尋找可靠性、工藝參數(shù)、工作溫度及性能之間的精細平衡至關重要?！睆埦覆┦拷忉專瑥膸灼椒胶撩椎男酒N片到幾十平方厘米的大面積模塊，對燒結銀材料提出了更多挑戰(zhàn)。從傳統(tǒng)芯片貼片燒結過渡到大面積燒結時，需要解決多個技術問題以確保高質量的印刷和燒結效果。
首先，在大面積上進行印刷要求銀膏的印刷性要足夠好，需要調整銀膏的觸變性和黏度以適應大面積印刷。其次，為了適應大面積燒結，銀膏的燒結性需要改進，以確保在較低的溫度和壓力下達到良好的燒結效果，并調整銀膏的活性。同時，在大面積燒結過程中，必須精確并均勻地施加燒結壓力和溫度，以確保燒結質量的一致性和模塊的完整性。
此外，大面積燒結會大幅增加對燒結銀膏的用量，而燒結銀成本相對較高，特別是與更傳統(tǒng)的焊錫材料相比。盡管燒結銀在性能上具有顯著優(yōu)勢，但成本因素可能會影響某些客戶的采用意愿。
“作為一種新興技術，大面積燒結銀需要時間讓市場接受和適應。”張靖博士補充道，“有些客戶對新技術的穩(wěn)定性和長期效益保持觀望態(tài)度。但隨著越來越多的碳化硅模塊制造商、封裝廠商乃至汽車制造商開始采用大面積燒結銀工藝，相信未來大面積燒結技術在高端車型中的采用率會越來越高?！?/p>
今年開始，歐洲及其他海外市場可能由于各種因素而顯示出增長的放緩。與此同時，中國新能源汽車市場仍在穩(wěn)步增長，部分市場如純電動汽車的增長速度稍顯緩慢，而混合動力汽車的比例較預期要高。然而，基于碳化硅的功率模塊在這些市場中將繼續(xù)發(fā)揮關鍵作用，賀利氏電子的燒結銀技術在這一領域展示出巨大的市場潛力。
根據(jù)Yole預測，xEV正在推動功率模塊封裝材料市場的發(fā)展，2023年這一市場的成本約為23億美元，約占功率模塊總成本的30%，預計到2029年，功率模塊封裝材料的市場規(guī)模將翻倍增長至43億美元，年復合增長率為11%。汽車應用將不斷改進模塊材料和封裝設計，以充分發(fā)揮SiC技術的優(yōu)勢，同時重點通過良好的性能和可靠性來降低功率模塊的成本。
根據(jù)Business Research Insights的數(shù)據(jù)顯示，2022年全球燒結銀市場規(guī)模約為8900萬美元，預計到2031年將達到1.57億美元，年復合增長率為6.5%。
賀利氏電子也在不斷對燒結銀材料技術進行優(yōu)化和升級。公司早期開發(fā)的產(chǎn)品mAgic? ASP043主要面向表面鍍金或鍍銀的芯片。隨著技術的發(fā)展和市場需求的變化，越來越多的用戶對裸銅表面的燒結提出了需求。新一代產(chǎn)品mAgic? PE338不但可以在金銀表面進行燒結，也可以在裸銅表面上進行燒結。隨著碳化硅應用的增多，碳化硅芯片與基板材料之間的熱膨脹差異成為了一個重要問題。為了適應不同材料之間的熱膨脹，賀利氏電子在mAgic? PE338的基礎上開發(fā)出新的mAgic? PE338-28 F1510版本，其熱膨脹系數(shù)更加接近于碳化硅芯片。
擴展生態(tài)：通過行業(yè)技術交流和合作推動銀燒結技術的普及
功率模塊封裝技術的重要趨勢之一是在功率模塊中越來越多地使用碳化硅MOSFET作為Si IGBT的替代品，特別是在xEV應用中。這導致了對能夠承受更高結點和工作溫度的功率模塊封裝材料的日益增長的需求，例如銀燒結芯片粘接、先進的低雜散電感電氣互連、Si3N4-AMB襯板、結構化底板以及高溫穩(wěn)定的封裝材料。
張靖博士提到，隨著技術的不斷演進和優(yōu)化，燒結銀技術在高工作溫度、高熱導率和高可靠性方面的優(yōu)勢將更加明顯，賀利氏電子也在通過技術創(chuàng)新、工藝改進和產(chǎn)業(yè)生態(tài)合作來推動燒結銀更廣泛的應用。
與此同時，賀利氏電子也在探索燒結銅等新材料技術，以期開發(fā)出成本效益更高、性能更優(yōu)的燒結材料。例如此前推出的magiCu PE401有壓燒結銅，性價比高，可以形成高導熱及高可靠性的連接層，堪稱提高電動汽車中功率電子器件的效率和使用壽命的理想解決方案，適用于普通燒結設備。更終極的方案則是無壓燒結銅，減少對設備和工藝的壓力要求，使得燒結工藝的應用更加便捷和廣泛。
從燒結銀行業(yè)生態(tài)來看，賀利氏電子一直希望通過上海研發(fā)中心這個平臺，結合產(chǎn)業(yè)鏈合作、高校聯(lián)合研究、創(chuàng)新工程服務及周期性的技術研討會等途徑來進行新材料的本土化研發(fā)，普及燒結銀技術，以促進新技術的接受和應用。最新的大面積燒結銀mAgic PE350就是在中國本土研發(fā)的，再次展示了賀利氏電子“在中國，為中國”的承諾。
張靖博士提到，與傳統(tǒng)的焊接工藝不同，燒結銀需要專門的燒結設備來進行生產(chǎn)。在賀利氏電子研發(fā)該工藝的初期，由于市場上缺乏對應的燒結設備，公司在實驗室內自行搭建了一套簡易設備進行試驗。這不僅是一次自力更生的嘗試，也是對材料和工藝進行微調以達到量產(chǎn)標準的過程。隨后，公司與設備制造商進行了密切的合作，共同優(yōu)化生產(chǎn)工藝和材料配方，最終實現(xiàn)了燒結銀材料的大規(guī)模生產(chǎn)。
至今，賀利氏電子與燒結設備制造商保持緊密的合作關系，在他們的設備上驗證新材料的性能，同時不斷優(yōu)化燒結材料以適應市場的新需求。此外，生產(chǎn)燒結銀膏所用的銀粉也需與相關供應商緊密合作，以確保滿足不同燒結工藝和性能要求。
“賀利氏電子定期舉辦燒結銀研討會，為設備制造商、下游客戶以及高校等行業(yè)各方搭建一個交流和學習的平臺?！睆埦覆┦空f，“我們通過這些會議分析市場趨勢、分享燒結技術的基礎知識，討論燒結銀材料和工藝參數(shù)的最新進展。會議結束后，參與者們還將前往賀利氏電子的創(chuàng)新工程服務中心進行操作培訓，與一線工程師面對面交流，親身實踐燒結銀的工藝步驟，進一步加深他們對賀利氏電子mAgic燒結銀創(chuàng)新產(chǎn)品和技術的理解?！?/p>
高校合作方面，賀利氏電子與中國多所知名大學，如復旦大學和上海交通大學建立了長期合作關系，這些合作主要集中在燒結技術的基礎研究和原理性探索上，幫助賀利氏電子保持其在燒結技術方面的先進性。
此外，賀利氏電子通過其上海創(chuàng)新中心提供工程服務，幫助客戶解決技術難題，加速燒結銀技術的商業(yè)應用?！澳壳百R利氏電子的上海創(chuàng)新研發(fā)中心從最初的600平方米擴展至超過1200平方米的實驗室?！睆埦覆┦繌娬{，“我們的實驗室配備了價值數(shù)千萬人民幣的全套設備，能夠為客戶提供從產(chǎn)品研發(fā)到量產(chǎn)的全方位支持。從2019年開始就在幫助合作伙伴完成燒結工藝工程服務，國內大部分碳化硅模塊廠商都與賀利氏電子有過深度合作。我們希望從賀利氏電子上海創(chuàng)新中心，能夠走出更多客戶的成功案例?！?/p>
隨著燒結銀技術的普及，封裝材料市場的規(guī)模不斷擴大，也吸引了越來越多的競爭者進入這一領域。盡管面臨激烈的市場競爭，賀利氏電子通過不斷的研發(fā)和創(chuàng)新，已將其燒結銀產(chǎn)品發(fā)展成為系列化產(chǎn)品，并在全球市場上擁有廣泛的應用實例。
“材料研發(fā)和創(chuàng)新非一日之功，賀利氏電子的燒結銀產(chǎn)品從誕生至今已近二十年，目前已經(jīng)形成了系列化產(chǎn)品，以及擁有廣泛的應用實例?！睆埦覆┦恐赋觯磥?，賀利氏電子仍將繼續(xù)致力于提供廣泛的電子封裝材料組合、強大的應用與認證支持、以及定制化的工程服務，為客戶提供全方位、本土化的咨詢與研發(fā)服務，助力客戶成功將前沿燒結技術應用于實際生產(chǎn)，滿足市場對高性能功率器件不斷增長的需求。
