田中贵金属工业的混合烧结技术重新定义了SiC/GaN功率模块的可靠性

电子学半导体接合与密封继电器与电气连接

2025/12/25

引用来源: Semiconductor Digest
日期:2025年12月12日
链接: https://www.semiconductor-digest.com/tanakas-hybrid-silver-adhesive-paste-redefines-reliability-for-sic-gan-power-modules/

田中贵金属工业株式会社银粘合剂全球研发高级经理阿部慎太郎解释了材料方面的突破，正是这种突破使得高温无压芯片贴装成为可能。

随着宽禁带（WBG）半导体在电力电子领域日益普及，封装可靠性已成为一项重大挑战。对于工作温度超过200°C的SiC MOSFET和GaN HEMT而言，芯片贴装层会承受极端的热应力、机械应力和化学应力，这超出了焊料和环氧树脂粘合剂等传统材料的承受极限。

田中贵金属工业株式会社开发了一种混合烧结技术，该技术实现了高导热性、在200℃以上温度下仍能保持牢固的结合、无需加压加工以及优异的长期抗疲劳性能。据田中贵金属工业，该公司通过同时解决两大难题——实现树脂中银的烧结以及控制烧结网络内树脂的分布——开发出了这项创新的连接技术。

据安倍介绍，第一个重大飞跃是能够在存在树脂的环境中烧结银颗粒。在这种环境下，烧结通常会被抑制。安倍说：“树脂中的银烧结通常较难，因为树脂会抑制烧结过程，我们独特的设计技术通过优化树脂的界面相互作用，同时保持银的正烧结，克服了这一挑战。”

第二个飞跃涉及工程和微观结构。 “通过不均匀地将树脂分布在银烧结结构内，我们既实现了热导率，也实现了机械灵活性。

田中贵金属工业株式会社通过仅在必要部位涂覆树脂，开发出一种复合材料体系，该体系在显著降低弹性模量的同时，仍能保持高导热性。“这两项创新在保持高导热性的同时，增加了机械柔韧性，从而确保了长期可靠性。传统的树脂基粘合剂在温度超过200°C时，接合强度会显著下降，因此必须将粘合和烧结结合起来，”阿部解释道。

高温下的可靠性是WBG功率模块最重要的问题。基于传统树脂的银粘合剂在高温下变得不稳定。安倍先生解释了这个问题的机制如下。“在超过200°C的高温下，依赖氢键的粘合剂体系的性能降低，剪切强度显著降低。”

为了解决这个问题，田中贵金属工业工业株式会社将银烧结技术与银键合的化学特性相结合。“我们将烧结技术与键合技术相结合，即使在超过200°C的环境下也能保持较高的键合强度，并能有效分散温度循环过程中接合材料线膨胀系数差异引起的应力。”

所得材料形成稳定的结构，可减轻热机械疲劳，尤其是在铜和陶瓷基电源基板中。

管理空隙

空腔降低了导电性和可靠性，尤其是在高功率模块中。安倍先生解释了公司的战略如下。“首先，高密度地填充银填料。通过组合不同尺寸和形状的银粒子，形成高密度的结构。熔化后，树脂熔化以填充微小的空隙，从而实现更高密度和更稳定的结构”。从而有效地防止氧气和湿气的侵入。“最大限度地减少空隙，防止氧气和湿气进入，从而导致长期老化”安倍先生说。

无压力熔合

其主要优势在于与现有芯片贴装工艺的高度兼容性。Abe 表示：“加压烧结需要专用设备，但我们的混合烧结工艺无需加压，即可利用现有加热系统（例如间歇式烘箱）进行加工。这使得客户能够轻松引入新材料，而无需对其生产线进行重大改造。”

对于寻求加压下沉的客户，可以在加压系统中使用相同的粘合剂。

图1展示了田中贵金属工业的银芯片贴装产品线，其中中心部分为新型混合烧结工艺。图2则对比了该混合烧结工艺与其他产品线。

基板兼容性

裸铜是最难接合的材料之一，因为薄氧化膜的形成阻碍了金属接合。安倍先生说:“最难接合的是裸铜，因此我们将重点放在这方面。本公司的工艺实现了与裸铜的高度兼容性。”。

图3示出了针对裸铜优化的推荐固化轮廓。该配置文件也适用于银和金。对于银和金，即使在约200°C的低温下也可以实现可靠的粘合。

幸运的是，田中贵金属工业的工厂已经具备了必要的基础设施：“我们的生产工厂在生产各种浆料材料方面拥有丰富的经验。这使我们能够顺利地从原型制作过渡到批量生产，而无需进行大规模的资本投资。”

除了技术实力外，田中贵金属工业工业株式会社还建立了循环供应链。公司专注于从工业废料中回收和提纯贵金属，并制定了一系列环保举措，以减少对环境的影响，确保贵金属的可持续高效利用。循环采购不仅具有环境效益，而且在保障贵金属稳定供应方面也发挥着重要的战略作用。尤其对于产量有限且采购能力强的原材料而言，回收不仅能提高供应稳定性，还有助于减少二氧化碳排放，并建立更可持续的生产体系。该模式的特点在于，产品采用从回收贵金属中提纯原材料制成，并运用了田中贵金属集团多年来积累的先进回收和贵金属分析技术。此外，公司还可根据客户需求提供100%由回收贵金属制成的产品和解决方案。“循环经济和可持续的原材料供应对我们的客户至关重要。我们的回收体系和采购能力是我们的主要竞争优势，”安倍表示。此外，该混合浆料完全不含铅和PFAS。

此外，田中贵金属工业株式会社提供贵金属材料的“一站式服务”，从铸锭采购到加工、制造、销售和回收。