2022年9月21-22日，由NE时代主办，巨力自动化总冠名，巨一动力、中车时代电气、华域电动、上海电驱动战略合作，华为数字能源、智新科技生态合作的“2022（第二届）全球xEV驱动系统技术暨产业大会”在上海嘉定圆满召开。

在22日的分论坛上，麦德美爱法中国区EV技术市场经理代鹏分享了汽车电驱模块的银烧结应用。越来越多的逆变器，特别是碳化硅逆变器基本上要用烧结银的解决方案。麦德美爱法在功率电子里面拥有全方位的解决方案，包括焊料、混合烧结、纯烧结银的解决方案，满足不同的需求。

以下为现场实录：

今天主要分享和碳化硅匹配最完美的一款材料——银烧结粘接材料，从以下几个部分做介绍：

第一，烧结银应用介绍。

谈到烧结银，不得不谈功率电子。我们可以看到，最早的功率电子主要用于白色家电，它的特点是高功率、高效。除了供电，再看最右边工业领域也有大量应用，比如特高压的传输，高铁的应用，也会用到功率电子的大功率、大电流、高电压的需求。在现在非常火的电动车应用中，包括了48V到200V的低压混动，它的要求和另外两边不一样的原因是，它对尺寸和重量都有要求。400V、800V的电车除了功率可靠性，还有重量的降低之外，还需要对工作温度要进一步提升。

如图所示是功率电子对芯片需求的发展历程，30年前1990年左右的时候，功率密度只要30千瓦/平方毫米，而它的工作温度只有125度。30年之后的今天，整个芯片功率要求达到250千瓦/平方毫米，换句话说功率密度提高了8倍。同时，它的工作温度对于芯片封装的要求需要有一个安全阈值，至少要达到最高工作温度200度，模块正常的最高工作温度会达到175度，这对封装材料提出了更高的要求。

整车厂对于功率模块也提出了许多需求，首先功率和可靠性越高越好，尺寸越小越好，成本越低越好，大家都希望汽车越来越便宜，整车厂希望整体的部件提供商能提供更便宜的解决方案。对于芯片封装的厂商，他们对于芯片的要求是载流频率越来越快，同时工作温度也要越来越高，这样功率密度才能提升，同时芯片尺寸也要越来越小，在这块碳化硅的芯片就是最好的解决方案，在碳化硅解决方案里面只是芯片从硅变成碳化硅以后，其实整个封装也系统也有很大的风险，因为其他材料都是基于硅基做开发的。如果基于硅基做芯片封装的开发会遇到很多问题，这是传统工艺和烧结工艺的区别。

如图所示，都是用打线工艺加上焊料或者模块和散热器之间都是用硅脂的方案，整个焊点和打线的位置都是模块最脆弱的地方。新工艺我们也看到中车的同仁分享了他们的分析，用引线框架作为导通的作用代替打线工艺，可以做到双面散热，这样是很好的解决方案。同时每一个连接面上都可以做到烧结，烧结用纯银的材料，它的散热都有很大幅度的提升。

为什么要用纯银作为烧结银这个材料？如图所示这是自然界中主要材料的导热系数总汇。导热最高的除了钻石的导热，能做到1000W/m.K以上以外，下面就是纯银这个材料，银是金属材料导热性能最好的，能做到19W/m.K，为什么不用铜？铜氧化以后对可靠性和稳定性有很大的影响，所以大家首选银。

如图所示我们做了一个和传统焊料的对比。银熔点是962度，电阻率1.6uohm，高铅焊料是在三极管封装里面常用的芯片粘接的材料，熔点大概在300度左右，电阻率17uohm。传统的无铅锡银铜焊料，熔点在220度左右，电阻率为14.5uohm。

如图所示是金锡焊料，是非常共晶材料，因为含金所以很贵，现在主要应用主要两块，一个是军工雷达的高频应用，还有一块是LED高功率的芯片粘接。熔点是280度，传统焊料都是在20-60瓦左右的散热能力。烧结银材料是烧结工艺完成之后，是一个纯银的材料，962度的熔点，因为它有纳米级的微孔结构，导热性能在200~300w/m.k是传统焊料5倍以上的表现，同时结合我们的纳米技术 大幅提升我们烧结强度。如右图，如果工作温度提高到175度的时候，工作温度和熔点的比较，当工作温度达到熔点的75%的时候，我们认为这只具有很弱的工程载荷，这个材料无法承担相应的工程载荷。如果低于25%的时候，是完全可以保证你的工程载荷的。如果SAC305的锡膏和烧结银比的话，SAC305在175度工作温度下结构可靠性非常弱，汽车设定的可靠性冷热循环的最高温度都是在125度的条件下也是考虑到焊料的影响。

烧结是什么原理？几千年前我们的古人用窑土烧结，陶土颗粒进行固体分子间的扩散，连接为一个整体，对于烧结银来说，原理是一样的，只是把陶土颗粒变成银颗粒，在一定的温度、压力和时间下，银原子会在这个温度下进行布朗运动，进行固体间的扩散。扩散以后，最后结合成固态结构，这个固态结构一定是多孔状的结构，和陶瓷结构一模一样。很多人会问，有空洞怎么办，这个空洞都是微观条件下的，用宏观的R-yay、超声波扫描是看不到的。烧结银可应用的点在哪些地方？第一是引线框架和芯片的连接，还有芯片和基板的连接，还有今天重点介绍的整个模块和冷水板或者散热器的连接。

如图所示是我们在功率电子整体产品线的推荐，我们有全功率电子整体解决方案。最上面是今天要介绍的烧结银，我们的烧结银最大的特点是可以应对各种不同的工艺应用领域。如左上图，有烧结银做印刷应用的，还有烧结银做点涂应用的，当你做散热器的时候有可能不是一个平面，做印刷无法做，我们可以用点涂的方式解决。我们还有Films的解决方案，还有Preforms的解决方案，很好的控制你的BLT。左下角是焊接解决方案，现在大家都会用到各种各样的焊料，有些公司也在做焊料的解决，我们可以提供锡膏高，也可以提供焊片，我们还可以提供混合烧结的产品。混合烧结可以提供相关的pastes为和Films，还有高铅的焊料。

我们怎么来选择不同的解决方案？如图所示做解释。这里面取决于你的散热需求，大家都会做一些热设计的应用，芯片封装中需要什么样散热都要做相关设计。假设你的散热要求在20瓦以下用导电胶就够了。接下来散热要求能做到20-50瓦的话，建议你用焊料的解决方案，焊料高铅的大概在26，无铅的大概在50左右。如果你要做到100瓦的散热，建议用到我们混合烧结解决方案，能做到100瓦的散热能力，如果要做到200瓦的散热能力，建议用到纯烧结 Argomax®的解决方案。从工艺上看最简单的就是焊料方案，接下来就是混合烧结方案，工艺相对起来复杂一些，可靠性最高的，就是纯烧结的工艺。

第二，电驱模块/散热模块银烧结应用介绍。

在大面积的烧结过程中，会遇到哪些问题？第一，由于面积过大，如图所示，不同材料的热膨胀系数有非常大的差异。在这么大面积连接下，做功率循环或者冷热冲击时的时候，温度变化会对连接材料产生非常大的热应力。这样的热应力会对材料造成损伤，所以大家都会做功率循环和冷热冲击的测试。第二，模块和散热器不同温度下CTE的不同会产生一些翘曲，连接过程中也会造成整体的影响。第三，塑封料。它是整个材料里面最脆弱的材料，特别是工艺烧结的时候，塑封料的Tg点大约在175度，过程中是否也会对塑封料有影响？第四，不同散热方案下如何用更好的材料做匹配，这也是一个很大的问题。

如图所示，我们选择了银烧结工艺。它可以把烧结银印刷到散热片上或者冷水板上，直接进行贴片，贴完片以后进行烘烤。烘烤完之后再进行压力烧结，后面我会具体介绍每一步的工艺。

首先是做印刷，也可以做点涂，如果你的散热器不是平面的话，我们也有点涂的解决方案，大家有兴趣可以到门口的展台具体咨询我们的专家。印刷情况下可以避免空洞、拉间的问题。

我们可以在膏状的条件下进行贴装，有时候印刷完之后进行烘烤后再贴片的话，印刷的所有问题无法进行弥补，比如有空洞、拉间、印刷不良的问题都无法弥补，我们的产品可以在膏状状态下进行模块贴片，有效避免银烧结工艺里面的印刷不良，同时还能保证产品零空洞的问题。

接下来是烧结工艺，它是一个压力烧结。压力值是10-15兆，上压头的温度150度，原因是因为塑封料的Tg点175度，当温度超过175度之后，很容易把它压坏。烧结完要做验证，首先一个验证是推力验证。如图所示，当它推开的时候，断裂面不在烧结面了，说明烧结面的可靠性已经非常高了，这是烧结最大的表现。同时我们会做热阻对比，如图所示，其他材料都不变，只是把原来的焊料换成烧结银以后，整体热效率提升了12%，热阻降低了12%，这是热设计当中非常大的提升。

同时我们也会做可靠性测试，第一是冷/热冲击测试，我们设置了三个冷/热冲击条件，-40/125度，-55/155度，-55/165度，唯一的区别是用焊接工艺的条件下，我们是500次循环就取出来了，烧结的工艺条件下一千次循环取出来。做超声波检测，如图所示，-40/125度，焊料有开裂，但是不明显。当你提升到155度的时候，有80%的地方已经开裂，发白的地方就是有开裂的。当你做到，-55/165度的时候，焊料基本上完整的焊接面已经开裂了。-55/165度的时候只有角上有略微开裂，开裂面积大约在5~8%的样子，而且可靠性、冷热冲击循环是焊料的2倍，是一千次循环的表现。如图所示是烧结银和焊接功率循环对比。烧结银做到了35万次的功率循环，它仍然可以工作。

结论，烧结银现在可以应用于任何结构的功率模块设计上了，无论是芯片和基板的烧结，或者是模块和冷水板、散热器的烧结都是没有问题的。越来越多的逆变器，特别是碳化硅逆变器基本上要用烧结银的解决方案。现在烧结银已经在市场上被大规模验证过了，每个月都有大量的出货，我们认为剪切力和热阻是评估烧结工艺的有效手段，而且烧结银对比焊接工艺是10倍于它的工艺。

麦德美爱法能为您做什么？如果要用到碳化硅、烧结银，我们会把我们的相关经验介绍给各位，跟您一起开发。我们也有十年经验给大家提供相关的技术支持，除了我们有烧结银以外，我们也有功率电子里面全方位的解决方案，包括焊料、混合烧结，还有纯烧结银的解决方案，满足大家不同的需求。

我们现在在全世界有4家应用实验室，分别在美国、德国、新加坡、日本。在今年年底，我们会在中国上海也会开一个应用实验室，专门应对中国市场功率模块各种各样的需求，比如你们需要做一些模块设计打样、热设计、前期的验证，都可以和我们一起合作，我们可以给到大家一些宝贵的经验。