为满足雷达阵面高功率密度的需求，SiC宽禁带半导体器件在电源模块应用中逐步取代传统硅功率器件。传统焊接及导电胶粘工艺存在导电性能差、热阻大、高温蠕变等缺点，无法发挥SiC功率器件高结温和高功率的优势。纳米银烧结是大功率器件最合适的界面互连技术之一，具有低温烧结高温使用的优点和良好的高温工作特性。

文中针对高功率电源模块大电流传输对低压降及高效散热的需求，基于高功率半桥电源模块开展了SiC芯片的纳米银双面烧结工艺技术研究，突破了成型银焊片制备、纳米银焊膏高平整度点涂、无压烧结等关键技 术，并通过烧结界面微观分析以及芯片剪切强度和焊片剥离强度测试对烧结工艺参数进行了优化。最后对半桥模块进行了静态测试和双脉冲测试。该模块的栅极泄漏电流< 1.5 nA，开关切换时间< 125 ns，漏极电压过冲< 12.5%，满足产品应用需求。

为了增加雷达探测距离，提高抗干扰能力，需要 不断提升阵面的功率密度，使雷达的电源及高功率射 频模块具备更高的功率密度。为满足上述需求， SiC宽禁带半导体器件在雷达电源、收发前端等模块的应用中逐步取代传统硅功率器件。目前，电源模块 中的高功率芯片主要通过金锡共晶焊接或导电胶粘安 装在直接键合陶瓷（Direct-Bonded Ceramic, DBC） 基板上，正面通过金丝或铝丝键合实现电气互联。但是，传统钎焊及导电胶粘工艺存在导电性能差、热阻大等缺点，且使用温度小于175 ◦C，在大温变的条件下容易发生蠕变等退化现象，引发疲劳失效等可靠性问题，无法发挥SiC功率器件高结温和高功率的优 势。纳米银烧结技术是大功率器件最合适的界面 互连技术之一，具有传统功率粘结材料无法比拟的优 点，低温烧结高温使用，具有良好的高温工作特性。纳 米银烧结层的热导率可以达到200 W/(K· m)，远高 于传统焊料且烧结层厚度可控。与传统焊料合金封装相比，纳米银烧结能够将模块温度循环的可靠 性提高5倍以上，不仅能够降低芯片的对地热阻， 还能解决供电回路因大电流传输导致的压降和热耗问题。 

本文针对高功率电源模块大电流传输的低压降需 求以及SiC芯片高效散热的低热阻需求，结合一款高功 率半桥电源模块开展了SiC高功率器件的纳米银双面烧结工艺技术研究，突破了成型银焊片制备、纳米银焊膏高平整度点涂、无压烧结等关键技术，并通过烧结界 面微观分析以及芯片剪切强度和焊片剥离强度测试对有压和无压烧结的工艺参数进行了优化。对半桥模块 进行了静态测试和双脉冲测试。该模块的栅极泄漏电 流< 1.5 nA，开关切换时间< 125 ns，漏极电压过冲< 12.5%，满足产品应用需求。 

1.1 验证电路 

半桥电路是构成逆变电路、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）整流电路、多电平变流器 等众多电力电子电路的基本单元，因此本文以 SiC金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-OxideSemiconductor Field-Effffect Transistor, MOSFET）半桥电路为研究对象，开展纳米银双面烧结工艺技术的研究。SiC半桥电源模块的原理框图如图1所示。

SiC MOSFET裸芯片选用基本半导体公司的 BC1M032120，其额定工作电压为1 200 V，漏极电流为84 A。芯片的漏极、源极采用纳米银双面互连技术，降低大电流传输路径的压降，芯片漏极通过纳米银有压烧结与基板互连，芯片源极则利用成型焊片通过纳米银无压烧结工艺与封装基板连接。为了降低封装热 阻及材料间的热膨胀系数，选用氮化铝DBC基板和钨 铜底座。 

1.2 工艺流程 

整个模块的装配拟采用图2所示的工艺流程，芯片底部粘接采用先进连接公司的有压烧结纳米银焊膏，芯片表面与成型焊片的粘接采用先进连接公司的无压烧结纳米银烧结焊膏。首先，在氮化铝DBC基板的上表面丝网印刷一层纳米银焊膏，在空气中预烘烤 干燥，去除多余的有机溶剂。然后，使用自动吸取设备 将SiC芯片置放于纳米银胶上，并使用烧结压机进行有压烧结；在SiC芯片上方，用点胶机将纳米银无压烧 结浆料涂覆在芯片和基板表面，用以进行银成型焊片 的无压烧结；栅极采用引线键合实现芯片与基板的电气互联，与外部连接的端子在回流焊炉内使用喷射式点胶的锡银铜无铅焊锡膏进行焊接。最后，采用硅胶 将模块封装进行绝缘处理。

2.1 成型焊片设计及制备技术

成型焊片设计和制备是纳米银双面烧结的核心技术。成型焊片的设计应综合功率器件的焊片尺寸、电流传输特性、最大结温等因素，通过热机应力的仿真及优化得到。而且成型焊片的加工和制备要求对后续互联的可靠性也至关重要，需要对焊片的镀层体系、 结构形式、内在应力等展开相关研究。 

热机应力仿真模型如图3所示。为了更好地在模型上应用边界条件并节省计算时间，仿真时去除了远离芯片的基板边缘区域并在基板下面增加了 一个2 mm厚的冷却板。对于热边界条件，模块的初始温度为175 ℃，室温为60 ℃。在冷却板底面增加 20000 W/(m²·K)热传递系数且将其余表面设定为隔热。散热时间为1 s，1 s后提取并观察互连层的温度以及压力分布。

将成型焊片设计成穿孔结构形式，这样不仅可 以起到压力释放的作用，还可以作为扩散沟道满足无压力烧结纳米银胶料的氧化需求。如图4所示，在 ANSYS中构建了3种不同的芯片互联方案。

3种方案的仿真结果对比见表1。从仿真结果可 知，3种方案对散热后的最高温度几乎没有影响，但增加开口可以有效释放应力。对于本项目采用的芯片， 圆形开口（方案二）与十字形开口（方案三）有几乎相同的结果。针对圆形开口焊片，通过改变其厚度进行应力优化。由优化结果可知，成型焊片上的最高温度保持恒定，而芯片面以及DBC面上的最大应力会随着 成型焊片厚度增大而上升。然而，太薄的焊片在处理 过程中很容易变形，会对可靠性产生影响。综合考虑这些因素，最后选择厚度为100 µm的焊片。

SiC芯片双面烧结的热电仿真模型如图5所示。由于银具有最低的热点温度、良好的导热性和抗 氧化性以及优异的烧结能力，所以仿真直接选择了银焊片，厚度设定为50 ～ 300 µm。作为热边界条件，环境温度为60 ◦C，半导体内部生成的热为 10.5 W/mm³，DBC基板较低一侧的热对流规定为 20 000 W/(m² ·K)。图5给出的是100 µm厚焊片的温度和电流密度分布。由仿真结果可知：在所定义的输 入功率下，产生了大约113 ◦C的峰值温度，位于芯片中心；最大电流密度则集中在焊片与芯片的接触边沿及焊片拐角处。

使用超短脉冲激光对银焊片进行蚀刻处理形成所 需的开孔形状。较高的激光功率会导致边缘不均匀并 有烧痕残余，适当减少高功率激光重复次数并增加低 功率重复次数可以避免这个问题。为了便于后续的成 型处理，将银焊片加工成图6（a）所示的引线框形式， 通过框架边沿的定位孔可以在成型处理的过程中借助 销钉来固定焊片。焊片成型工装如图6（b）所示，经过 激光处理的框架形式银焊片被放入下板内，下板的挖 槽与成型焊片最终结构匹配。中间接口是折弯焊片的冲床，并配备了压件、弹簧等成型工具，成型时借助上 板压紧来折弯焊片。

2.2 纳米银焊膏分配 

芯片连接层厚度的精确控制也是一个非常关键的问题，芯片连接层的厚度不仅会影响该连接层的剪切强度，还会影响该连接层的空洞率。

 氮化铝DBC基板与SiC芯片互联的纳米银焊膏 通过丝网印刷工艺进行涂覆。采用厚度为80 µm的 漏印网版，根据纳米银浆粘度以及印刷厚度和均匀 性要求，对丝网印刷过程中刮刀的前/后向运行速度、 压力等参数进行优化，使得印刷纳米银浆的厚度为 (100 ± 10) µm，高度均匀性小于15 µm，满足大尺寸 SiC芯片的有压烧结要求。 

用于成型焊片无压烧结的纳米银焊膏采用先进的 喷射式点胶技术进行分配。喷射式点胶为非接触式点胶，可以最大限度地减少胶滴的拖尾，获得更小的胶 滴间距和更优的涂覆焊膏一致性。采用10 × 10胶 滴矩阵对排布的间距参数进行优化，直径为430 µm的 胶滴（点胶头大小为300 µm）的优化结果如图7（b）所 示。随着相邻胶滴间距的减小，纳米银胶的平均厚度 逐渐增加，而表面粗糙度呈下降趋势，当胶滴间距小于 300 µm后，表面粗糙度变化较为缓慢。点胶后焊膏的 厚度和其表面粗糙度是一对相互矛盾的参数，通过图 7（b）的曲线可以发现，相邻胶滴间距为300 µm（即相 邻胶滴的重合比例为30%左右）时可获得最优的点胶效果。

2.3 纳米银烧结技术 

采用有压烧结工艺将SiC芯片焊接到DBC基板 上。首先，将丝网印刷纳米银焊膏的DBC基板在空 气气氛下120 ◦C烘烤20 min，去除纳米银焊膏中多余 的有机溶剂。然后采用SCHMIDT公司的ServoPress 450热压机对SiC芯片进行有压辅助烧结，工艺参数为：烧结温度240 ◦C，辅助压力10 MPa，烧结时间3 min。 

运用田口试验设计方法对影响纳米银焊膏无压低 温烧结质量的工艺参数进行分析研究，获得了最优的 无压烧结曲线参数（表2）：干燥温度为90 ◦C，干燥时 间为10 min，烧结温度为250 ◦C，烧结时间为30 min， 烧结气氛为N₂。

图8为纳米银有压及无压烧结剖面显微结构图片， 有压烧结的孔隙率和致密化程度明显优于无压烧结。有压烧结的烧结层厚度约为22 µm，无压烧结的烧结 层厚度约为200 µm。对纳米银有压烧结的芯片进行 剪切强度测试，结果大于22 MPa，芯片在剪切试验过 程中都出现了芯片碎裂，这意味着有压烧结界面的剪 切强度大于芯片材料本身的强度。

对田口试验的烧结温度和烧结时间交叉匹配9个 分组样品，对银焊片与DBC基板的剥离强度进行测 试，测试结果如图9所示。由测试结果可知，所有无压 烧结样品银焊片的剥离强度都大于5 N，银焊片通常 在烧结层脱落之前就已断裂，满足产品设计要求。从 测试数据对比可知烧结的最佳工艺参数为：烧结温度 250 ◦C，烧结时间30 min。

采用三线法对半桥模块中芯片的静态特征进行检测，图10（a）、（b）分别为样件的输出特征和栅极泄 漏电流。由测试曲线可知，该芯片的栅极泄漏电流< 1.5 nA，输出特性曲线与芯片手册一致，因此双面烧结 前后芯片的性能未发生明显变化。对半桥模块进行双 脉冲测试，图10（c）和（d）分别为模块的开通和 关断波形，模块开通关断的电压和电流分别为1 200 V 和84 A。开通时间小于125 ns，关断时间小于75 ns， 开通和关断的速度非常快，而且开通关断过程中电压 和电流波形无过高的震荡和尖峰，漏极的电压过冲6 12.5%。开通关断过程中的基本参数及损耗和SiC功 率器件的手册值相差不大，能够满足使用要求。

本文采用银成型焊片并结合纳米银有压和无压烧 结工艺技术实现了SiC芯片的双面烧结互联，满足高 功率电源模块大电流传输对低压降及高效散热的需 求。文中重点论述了成型焊片设计制备方法、纳米焊膏高平整度点涂及纳米银无压烧结等关键技术。本文的研究工作对SiC功率器件及纳米银烧结工艺技术在 高功率电源模块及射频前端模块中的工程化应用具有 重要的参考价值。后续仍需要对纳米银双面烧结技术 在高温环境中长期应用的可靠性、高温银扩展风险等 方面开展进一步的研究，并结合先进集成封装工艺技 术开展相关的应用研究。