碳化硅功率半导体革命的加速器：国产烧结银崛起_风闻

从电动汽车的高效驱动系统，到光伏发电中的逆变器，再到5G通讯的核心射频模块，以碳化硅为代表的第三代功率半导体相比传统的硅芯片呈现出更为优越的性能。当新能源汽车续航里程突破1000公里、800V高压快充成为标配，碳化硅功率半导体的革命正在加速到来。而更高的功率密度、更优的散热能力、更强的可靠性以及更高的工作温度范围等严苛要求，让传统的焊料封装与连接技术在新的技术时代，正在被高性能、高可靠性的烧结银封装与连接技术快速取代。烧结银技术也成为了碳化硅等第三代功率半导体芯片与模组封装的首选材料。

图源：帝科湃泰

碳化硅和氮化镓的应用领域

一、烧结银技术概述

烧结银的概念

烧结银技术，是一种新型无铅化芯片互连技术。该技术主要是对微米级及以下的银颗粒在300℃以下进行烧结，通过原子间的扩散作用实现良好连接，从而在低温烧结（<250℃）条件下获得耐高温（>700℃）和高导热（>200W/m.K）的烧结银芯片连接界面。

技术发展历程

20世纪80年代末期，Scheuermann等率先研究了一种低温烧结技术，即通过烧结银颗粒实现功率半导体器件与基板互连的方法，这为烧结银技术的发展奠定了基础。此后，随着科技进步，烧结银技术在工艺优化、材料性能提升等方面取得了显著进展，逐渐从实验室研究走向实际工业应用，并在近年来得到了广泛的关注与应用推广。

烧结银技术原理

原子扩散是烧结银技术实现良好连接的核心机制。在低温烧结过程中，银颗粒表面的原子具有较高的活性，由于表面自由能的驱动，原子开始迁移。当两个银颗粒相互靠近并接触时，原子会从高自由能的颗粒表面向接触区域扩散，逐渐形成烧结颈。随着时间的推移和温度、压力等条件的持续作用，原子扩散不断进行，烧结颈不断扩展，使得银颗粒之间的连接逐渐增强。这种原子扩散连接机制能够在相对较低的温度下实现银颗粒的融合，避免了高温对芯片和基板等材料的不良影响，同时形成的连接具有良好的导电性、导热性和机械强度，满足功率半导体对高性能连接的要求。

图源：帝科湃泰

烧结银在功率半导体封装中的优势：

**高工作温度：**碳化硅和氮化镓等宽禁带半导体材料具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率等特点，非常适合制作应用于高频、高压、高温等场合的功率模块。烧结银技术以其高导热性和高可靠性，能够很好地满足高温碳化硅器件等功率模块的芯片互连需求。在高温环境下，烧结银连接层能够有效传递热量，维持芯片的正常工作温度，同时保证连接的稳定性，确保功率模块在恶劣环境下可靠运行。

**高热导率：**传统高铅焊料的导热率一般只有30~50W/m.K，而烧结银可以达到200W/m.K以上，对于碳化硅模块这类小尺寸、高功率应用，能够有效导出热量，提高功率密度。

**高可靠性：**银的熔点高达 961℃，相较于熔点小于 300℃的焊料连接层，烧结银不会产生焊料连接层中常见的典型疲劳效应。在功率半导体长期运行过程中，尤其是在经历温度循环变化时，焊料连接层容易因热胀冷缩产生疲劳裂纹，进而导致连接失效。而烧结银凭借其高熔点特性，在高温、高应力等恶劣工作环境下，依然能够保持稳定的连接状态，极大地提高了功率半导体的可靠性。这一优势使得烧结银技术在对可靠性要求极高的领域，如航空航天、汽车电子等，具有不可替代的应用价值。

**环保特性：**在当今全球对环境保护高度重视的背景下，电子行业也在积极寻求环保型材料与技术。烧结银技术所使用的烧结材料不含铅等有害物质，可以很好的替代现有的高铅焊料，属于环境友好型材料。

二、烧结银在电动汽车中的应用

虽然新能源电动汽车在全球范围内的渗透率正在逐年增高，但要取代燃油汽车实现全面普及，仍然需要突破续航里程、快充等关键挑战，碳化硅与烧结银的天作之合，正是电动汽车实现这一市场飞跃的关键。而在电动汽车技术不断迭代的进程里，如何提升关键部件的性能，进而优化整车的能效、可靠性与稳定性，成为了行业关注的焦点。在此背景下，烧结银技术脱颖而出，以其卓越的材料特性与连接性能，成为驱动电动汽车性能飞跃的关键力量。

**显著提升系统效率：**从整体系统层面来看，烧结银技术的广泛应用有效降低了电动汽车关键部件的热阻与电阻。以碳化硅功率模块为例，连接层热阻的大幅降低，使得芯片产生的热量能够迅速导出，减少了因热积累导致的性能衰退，提升了能源转换效率。在电机控制器、电池管理系统等环节，凭借烧结银良好的导电性能，降低了电流传输过程中的损耗。综合各部件的协同优化，采用碳化硅和烧结银技术的电动汽车，其动力系统整体效率可提升 8%-12% ，这意味着在相同电量下，车辆能够行驶更远的距离，或者在完成相同行程时，消耗更少的电量，显著提升了电动汽车的能源利用效率。

**大幅增强可靠性与稳定性：**无论是高温环境下的碳化硅功率模块，还是频繁充放电的电池管理系统，以及持续处于复杂工况的电机控制器与充电系统，烧结银技术凭借高熔点、高粘结强度和稳定的物理化学特性，赋予了这些部件卓越的可靠性与稳定性。在面对高低温循环、高湿度、高振动等恶劣环境时，烧结银连接层能够保持结构完整与性能稳定，有效减少故障发生概率。

**有力推动功率密度提升：**在追求电动汽车轻量化与小型化的趋势下，提升功率密度成为关键目标。烧结银技术通过优化连接结构，扩大芯片与基板等部件的有效接触面积，大幅提升了单位体积内的功率承载能力。在碳化硅功率模块中，烧结银技术的应用使得系统级的电流密度提高数倍以上，在电机控制器等部件中，也实现了功率密度的显著提升。这不仅有助于实现电动汽车关键部件的小型化设计，减少空间占用，还能在不增加设备体积与重量的前提下，提升其功率输出能力，为电动汽车的性能优化与设计创新开辟了新路径。

现今的电动汽车中，烧结银主要用于主驱逆变器，一般有三种封装类型的功率模块，即：TPAK、HPD、DCM。

TPAK模块

TPAK封装具有高灵活性与可扩展性，封装（尺寸20mm×28mm×4mm）支持多芯片并联，可根据功率需求灵活配置（如主驱逆变器并联多个模块），适配不同车型的电压平台（400V/800V）。支持多芯片供应商（如意法、英飞凌等），避免单一供应商风险。但是系统复杂度高，需配套高精度驱动电路，设计门槛较高。

HPD模块

HPD封装支持电流高达1000A以上，耐压1200V-1700V，适合重卡、大功率新能源车主驱逆变器等场景，且管脚兼容IGBT 版本的驱动设计，车企无需进行车型重新开发，可直接替换原有 IGBT 模块，降低了研发成本和开发周期。但是相比塑封模块，HPD封装尺寸偏大，可能限制车型结构布局。在质量管控和成本方面，一旦出现一颗芯片不良，整个模块都可能损坏。

DCM模块

DCM模块具有低杂散电感与低热阻的优点。通过优化封装结构（如双面散热设计），杂散电感低至5nH以下，热阻降低30%，支持更高开关频率（MHz级别），减少滤波元件体积，且塑封工艺成熟，材料成本较低，适合规模化量产，尤其在欧洲车型中已有成熟应用案例。

但是电流能力中等，电流范围通常在20A-600A，难以满足超高压大电流需求（如800V平台）。

三、帝科湃泰PacTite®烧结银加速碳化硅革命

据不同机构预测，到2030年全球电动车烧结银市场规模有望达到200亿元左右。目前，综合芯片与大面积模组等不同应用场景需求来看，单车烧结银价值有望达到300-1000元。但目前全球烧结银市场被美国Alpha、德国贺利氏等海外企业垄断供应，国产化缺失已经成为制约碳化硅等功率半导体发展和电动汽车全面普及的主要因素之一。

无锡帝科电子材料股份有限公司（简称“帝科股份DKEM®”）作为全球领先的高性能电子浆料供应商，和国内首家光伏与半导体银浆上市公司（300842.SZ），根植于全球能源结构转型和国家半导体战略，成立十五年来始终聚焦太阳能电池、半导体封装、电子元器件等领域的导电浆料自主研发与创新实践。帝科股份控股子公司无锡湃泰电子材料科技有限公司（简称“湃泰PacTite®”）从成立伊始便致力于开发车规级烧结银产品，现已形成压力烧结银、无压烧结银等系列产品以满足客户不同的应用需求，多款产品已实现大规模量产。

帝科湃泰PacTite®烧结银产品

图源：帝科湃泰

DECA610-02T：SiC芯片级压力烧结银

DECA610-02T是一款用于半导体芯片粘接的压力烧结银材料，专门为超高导热要求的芯片封装设计。主要应用于SiC、GaN 、IGBT等高功率芯片的封装。其有着优秀的印刷作业性，低至230℃、15MPa的烧结温度和压力，低气孔率，高可靠性。

图源：帝科湃泰

SiC芯片压力烧结工艺流程图

图源：帝科湃泰

DECA610-02T有着出色的印刷性能，预烘烤前后银浆平整度高，无溢出扩散。

图源：帝科湃泰

DECA610-02T烧结致密，气孔率低于1.2%

图源：帝科湃泰

DECA610-02T具有高可靠性，SiC TPAK封装通过TC2000测试（-65~+150℃），无分层开裂。

DECA610-11W：SiC模组大面积压力烧结银

DECA610-11W大面积压力烧结银材料，专门为超高导热要求的应用设计，如 SiC 、 GaN 、 IGBT 等功率半导体模组。可用于大尺寸芯片与 AMB 基板烧结、模组与散热片（如 AMB 基板与铝或铜散热片）烧结。 其有着优秀的印刷作业性，低至200℃、10MPa的烧结温度和压力以保证功率模块在压力烧结中不被损坏，低气孔率，高可靠性。

图源：帝科湃泰

SiC模组压力烧结工艺流程图

图源：帝科湃泰

DECA610-11W烧结致密，气孔率低于2%

DECA600-08B120：聚合物辅助无压烧结银

DECA600-08B120是一款用于半导体芯片粘接的无压烧结银材料，专门为超高导热要求的芯片封装设计。主要应用于SiC、GaN、IGBT、功率MOSFET、射频PA、特种高功率LED等芯片的粘接。其有着200W/m·K超高导热率, 优异的260℃高温粘接力提供了优异的抗回流焊分层能力。

图源：帝科湃泰

DECA600-08B120有着车规级高可靠性，通过TC1000测试（-65~+150℃），无分层开裂。

四、结语

帝科股份作为全球领先的高性能电子浆料供应商，在太阳能光伏导电浆料、半导体封装浆料、电子元器件浆料领域深耕多年，有着丰富的技术积累和应用经验。帝科股份在半导体封装领域，除了LED/IC芯片封装银胶等成熟产品线之外，聚焦开发功率半导体封装用低温烧结、低温连接技术，在烧结银材料的研发及产业化方面已经走在行业前列，并持续推陈出新以满足市场不断变化的需求。在功率半导体封装用烧结银产品取得阶段性成功的基础上，帝科股份凭借在光伏与电子领域铜基浆料开发与应用经验，积极加大烧结铜研发力度，以满足碳化硅等功率半导体技术长期可持续发展需求。