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旅館寒燈獨(dú)不眠，客心何事轉(zhuǎn)凄然~
好久不見，不知不覺已經(jīng)三月份了，獨(dú)剩感慨，不愿回首！新的一年，可以看到新能源已經(jīng)開始瘋狂的“卷”了起來，各大整車廠的降價(jià)浪潮，以及更多新產(chǎn)品的研發(fā)，都走在think better的路上。
最近遇到一個(gè)問題--大面積銀燒結(jié)(Large area sintering，LAS)可行性，本著不懂就學(xué)的理念，今天我們就來聊一聊這個(gè)話題。
前言
首先，為了發(fā)揮碳化硅的優(yōu)異性能，傳統(tǒng)硅基的模塊封裝在不斷地發(fā)展，新的封裝材料和技術(shù)在不斷地被挖掘。其中，新的封裝形式得屬車規(guī)的花樣最多，但都涉及到一個(gè)技術(shù)--銀燒結(jié)。低溫銀燒結(jié)技術(shù)由Schwarzbauer開創(chuàng)，最初使用的是薄銀片，但由于其較低的擴(kuò)散能力，需要施加約30~80MPa的高燒結(jié)壓力來實(shí)現(xiàn)較為堅(jiān)固的燒結(jié)。
燒結(jié)銀的熔點(diǎn)約為961℃，導(dǎo)熱系數(shù)約240W/m·K（約為傳統(tǒng)焊料的3倍），抗剪切強(qiáng)度能夠達(dá)到70Mpa，強(qiáng)于大多數(shù)焊料，所以，銀燒結(jié)以其優(yōu)異的散熱性能和高溫可靠性成為碳化硅應(yīng)用中很受歡迎的技術(shù)。但較大的燒結(jié)壓力需要昂貴的設(shè)備，這導(dǎo)致了模塊生產(chǎn)成本的增加，所以不同的銀膏材料也在不斷地被研究，同時(shí)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，需要對(duì)于燒結(jié)過程中的多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行不斷優(yōu)化，才能達(dá)到較為堅(jiān)固可靠的燒結(jié)效果，這就引出來了今天的話題，大面積銀燒結(jié)的可行性。
目前我們可以在很多模塊（工業(yè)和車規(guī)都有）中看到銀燒結(jié)的身影，當(dāng)然這也是每家必然會(huì)宣傳的一個(gè)技術(shù)特點(diǎn)。但大多數(shù)都是芯片到陶瓷基板采用銀燒結(jié)，芯片面積通常較小，大約幾十mm^2的樣子，所以小面積的銀燒結(jié)技術(shù)算是比較成熟了吧。那么陶瓷基板燒結(jié)到底板或者殼體上呢？成熟的面積大點(diǎn)的算是TPAK在Tesla上的應(yīng)用了吧，下面是TPAK銀燒結(jié)到鋁制殼體的截面圖，
TPAK背面AMB的裸露面積大致在14mm*18mm=252mm^2左右，相對(duì)于芯片的幾十mm^2來說算大了一點(diǎn)，但TPAK是單個(gè)開關(guān)，如果是常見的塑封半橋或者HPD里面的陶瓷基板面積呢，要怎么去評(píng)估呢？
其實(shí)，接下來我們也只是聊聊大面積銀燒結(jié)工藝中影響燒結(jié)可靠性的幾個(gè)主要因素，以及注意事項(xiàng)，具體的燒結(jié)參數(shù)，我覺得還需要結(jié)合實(shí)際燒結(jié)面積等來做調(diào)整和優(yōu)化，尋找最優(yōu)參數(shù)。
大面積銀燒結(jié)討論
以下內(nèi)容主要基于一篇論文(Low-Pressure-Assisted Large-Area (>800mm2) Sintered-Silver Bonding for High-Power Electronic Packaging,?Yan-Song Tan, Xin Li)展開，旨在了解大面積銀燒結(jié)中主要因素的相互關(guān)系和注意事項(xiàng)。
銀膏
首先，銀膏采用的是球狀納米銀顆粒和微銀片組成，球狀納米銀顆粒直徑在30~60nm之間，銀片具有不同形狀，平均直徑在1~3um，厚度100~300nm。電鏡掃描如下，
除了納米銀顆粒和銀片之外，銀膏中還分別添加了分散劑、粘合劑和稀釋劑，為了確保顆粒的分散性/聚合物的穩(wěn)定性、膏體的可印刷性和流動(dòng)性。
銀燒結(jié)過程介紹
銀燒結(jié)過程可以分為四個(gè)階段，如下，
階段Ⅰ
隨著溫度的升高，溶劑迅速蒸發(fā)，大多數(shù)溶劑在70~160℃下蒸發(fā)。隨著溶劑的蒸發(fā)，附近具有高表面能的納米銀顆粒通過表面吸附在一起，形成納米銀團(tuán)簇并附著在銀片的表面或者之間，銀糊狀層開始收縮；
階段Ⅱ
溫度從160℃升到200℃，那些附著的納米銀顆粒傾向于旋轉(zhuǎn)到相同的晶向，銀片也試圖通過相應(yīng)燒結(jié)力的旋轉(zhuǎn)和滑動(dòng)來排列成更穩(wěn)定的位置，整個(gè)系統(tǒng)都試著轉(zhuǎn)換到一個(gè)低能量的配置。在銀片重排過程中，納米顆粒間接觸增加，在銀片間形成頸部，納米銀顆粒逐漸聚集和致密化。（如果未發(fā)生致密化，可能是仍有分散劑的殘留，包裹著納米銀顆粒表面，阻礙后者聚集）。
階段Ⅲ
溫度從200℃上升到220℃，分散劑被破壞，納米銀顆粒迅速聚集，銀片之間燒結(jié)頸隨著溫度升高而增大，實(shí)現(xiàn)銀片之間的初步連接，這一過程，銀片形狀沒有明顯變化。在275℃時(shí)我們已經(jīng)無法區(qū)分納米銀顆粒的邊界，燒結(jié)頸變得更強(qiáng)。
階段Ⅳ
溫度保持在275℃，銀片已經(jīng)發(fā)生劇烈燒結(jié)，從而產(chǎn)生了進(jìn)一步的致密化。保持60min后，這些納米級(jí)燒結(jié)頸和銀片完全消失，燒結(jié)完成。
大面積燒結(jié)的挑戰(zhàn)
我們的目標(biāo)是燒結(jié)成具有緊密界面接觸，無裂紋和高粘結(jié)強(qiáng)度的大面積燒結(jié)銀。
①很難在潤濕性和表面接觸之間保持平衡（溶劑去除）
從上圖階段Ⅰ可以看出，有機(jī)溶劑的占比約為10%，這些溶劑需要在燒結(jié)行為發(fā)生前蒸發(fā)或者燃燒掉，有兩種方法。
a.在底部基板上印刷濕膏，將頂部基板安裝到印刷后的濕膏上，由于銀膏是濕潤的，沒有任何預(yù)干過程，這樣很容易形成初始的表面接觸。但去除溶劑就需要很長一段時(shí)間，尤其對(duì)于大面積而言，如果溶劑沒有及時(shí)去除，一旦溫度達(dá)到其沸點(diǎn)，溶劑便會(huì)沸騰，很容易在銀燒結(jié)中形成大量的裂紋。
b.進(jìn)行預(yù)干，但如果銀膏被預(yù)先干燥，將很難形成親密的表面接觸，這時(shí)候需要一個(gè)大于10Mpa的壓力，這樣便會(huì)增加成本。
②何時(shí)施加壓力
施加壓力有助于大面積的粘合，但如果壓力施加過早，銀膏仍被大量溶劑濕潤著，此時(shí)壓力可能會(huì)擠壓出一些銀膏，并且溶劑的蒸發(fā)也將變得困難；
其次，對(duì)于大面積而言，內(nèi)部銀膏中的溶劑比外部去除的要慢，如果壓力太晚，外部銀膏可能會(huì)過于干燥，很容易形成局部分層。
所以何時(shí)施加壓力是個(gè)關(guān)鍵問題。
影響因素
文中燒結(jié)面積為41mm*23mm=943mm^2,襯底表面鍍有10um的銀膜以放止燒結(jié)中銅的擴(kuò)散。燒結(jié)過程如下，
首先，在底部的襯底上用模板印上一個(gè)80μm厚的銀膏。然后，將帶有印刷濕膏的底部襯底放在熱板上，通過溫度斜坡速率從室溫干燥至120°C。在120°C下的浸泡時(shí)間為90 min。干燥和冷卻后，在第二層薄薄的第一層膏的頂部模板印上銀膏。然后，將頂部的基板安裝在第二層濕糊體上。薄的第二層濕糊用于確保安裝的頂部基板和干燥的第一層糊之間的親密表面接觸。如果第二層糊太厚，就會(huì)引入更多的溶劑，存在形成裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，所以這里選擇的厚度為15~20um。放置在熱壓機(jī)（可加熱可加壓），溫度以R0℃/min上升到T1，立即施加P1 MPa的壓力，然后以R1℃/min加熱到275℃，并保持60min。
改變參數(shù)：壓制溫度、壓力大小和加熱速率，一共7個(gè)樣品。
樣品1，常溫下加壓，有銀膏溢出，同時(shí)還存在裂紋，這會(huì)影響電熱性能，降低抗剪切強(qiáng)度，還會(huì)導(dǎo)致局部熱阻的急劇增大；
樣品2同樣有銀膏溢出及裂紋；
樣品3，沒有銀膏溢出，但是由于R1速率過快導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋；
樣品4~7都是OK的，樣品4~6只是加壓時(shí)的溫度T1不同，樣品5和7是施加的壓力大小不同。樣品5的燒結(jié)層厚度為56um(2.8MPa)，平均孔隙率15.6%，樣品7為64um(1.8MPa)，平均孔隙率17.6%。但孔徑大小占比不一樣，
可以看出，壓力越大小孔徑占比越高，也就是說燒結(jié)更加致密。
剪切力測(cè)試，樣品4/5/6分別為58.2/59.3/65.3MPa，即溫度越高，剪切力越大；樣品5和7分別為59.3和56.1MPa，即壓力越大，剪切力越大。對(duì)于同一樣品剪切力空間分布的變化，可能是鍍銀基板平整度不好或者銀膏印刷不平整。
小結(jié)
以上我們討論了大面積銀燒結(jié)的幾個(gè)主要因素，溫度、壓力和加熱速率對(duì)于燒結(jié)質(zhì)量的影響。針對(duì)不同面積和不同的銀膏，可能以上參數(shù)都需要進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，所以大面積銀燒結(jié)的可行性更傾向于結(jié)合實(shí)際應(yīng)用。
但銀燒結(jié)帶來的優(yōu)異性是無可厚非的，大面積的銀燒結(jié)值得去嘗試，相信已經(jīng)有一些廠家，不管是模塊廠商還是電驅(qū)廠家都已經(jīng)在路上了。
今天的內(nèi)容希望你們能夠喜歡！
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