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　　在功率半导体器件快速向高密度、高温、高可靠性方向演进的过程中，连接技术成为影响系统性能和寿命的关键环节。

　　Heraeus Electronics在研讨会上，系统比较了“大面积烧结（Large Area Sintering, LAS）”与“大面积焊接（Large Area Soldering）”两种封装技术。

　　从热性能、机械可靠性、材料成本到市场适配性等多个维度进行了深入分析，烧结在性能与可靠性上具有明显优势，而焊接则以成本和成熟度保持竞争力。

　　Part 1大面积烧结技术的崛起与验证

　　功率电子封装正处在一次代际转变之中，碳化硅（SiC）器件逐步替代传统硅（Si）功率芯片，器件的功率密度与工作温度显著提高，封装层面对散热、可靠性及电气性能的要求也同步提升。

　　传统焊接方式在高功率密度与高结温环境下逐渐暴露出瓶颈：焊料层的热导率有限，热膨胀系数与芯片、基板材料不匹配，在温度循环中容易产生裂纹与分层。这正是大面积烧结技术兴起的根本动力。

　　烧结连接可应用于芯片贴装与模块贴装两层结构，从小至5×5毫米的芯片，到大至15×40×40毫米的模块均可覆盖。

　　银烧结膏（如PE360P、PE361D）通过在200℃以上、10~15MPa压力下烧结3~5分钟即可形成致密连接层，热导率可超过200 W/mK，远高于传统焊料的65 W/mK以下水平。

　　散热优势直接体现在结温（Tj）的降低上：在相同条件下，全烧结模块的结温为171℃，比全焊接模块低22℃，在SiC器件中尤为显著。

　　在可靠性方面，大量温度循环测试（-50℃~150℃）对比不同结构样本的寿命特性。结果显示，焊接样本在500次循环后出现明显降解，而烧结样本几乎无变化。若以5%分层率作为失效标准，焊接层的降解速度是烧结层的10倍。

　　进一步实验发现，厚烧结层（湿层400μm）和厚AMB铜层均有助于减缓失效扩展；铜芯基板相较铝芯基板耐疲劳性能更佳。

　　尤其是带1.6mm高基座的铜基板，其应力分布更均匀，能显著提升烧结界面的寿命，实证数据表明，大面积烧结技术在结构稳定性上具备长期优势，特别适合承受高温、高功率密度环境的SiC模块。

　　烧结工艺的优化核心在于烧结膏的配方、颗粒形貌与干燥曲线的精确控制。

　　烧结过程中必须避免空洞产生，否则将削弱机械强度和导热通路。为保证可靠性，Heraeus建议在三项烧结参数（温度、压力、时间）中最多只使用一个最小值，否则连接层强度会大幅下降。

　　在剪切强度测试中，优化后的烧结膏在小面积样本上提升44%，在大面积样本上提升120%，显示出显著的机械性能增强。

　　进一步从材料视角分析，银烧结层的热膨胀系数（CTE）为27.9 ppm/K，略高于铜（18.5 ppm/K），但其与SiC陶瓷（3.6 ppm/K）仍存在热失配。

　　为了降低这种应力差，Heraeus提出厚烧结层设计（>100μm）以及基板端采用铜芯或银镀层的方案，使热应力更为缓释。

　　这些改进使LAS技术逐步从实验室走向量产验证阶段。如今，烧结已成为高端功率模块（如电驱逆变器、DC/DC变换器）的核心连接方式之一，在高端纯电车型（售价约7.5万美元以上）中占据主流地位。

　　银烧结成本高昂仍是制约其普及的主要障碍，以铜颗粒烧结膏替代银颗粒体系的路线，以期大幅降低材料成本。铜的原材料成本仅为银的二十分之一，但其高熔点（1085℃）和易氧化特性增加了工艺复杂度。

　　报告显示，在250℃、无压条件下，银的自扩散长度为0.229nm，而铜仅0.03nm，这意味着铜烧结在相同温度下形成致密结构的效率明显偏低。

　　为克服这一难题，业界正在探索惰性气氛、扩散助剂及表面活化涂层等工艺优化方向，铜烧结的成熟将是下一阶段功率模块封装成本下降的关键变量。

　　Part 2大面积焊接的演进

　　与烧结形成对照，大面积焊接仍是目前功率模块制造的主流方案，优势在于成本低、工艺成熟、设备兼容性高，适合经济型电动车的高产量制造需求。

　　在材料选择上，焊料体系已从传统SnAgCu系列，扩展到含Bi、Sb、Ni等元素的改性合金，其中以Innolot系列表现突出。

　　Innolot焊料通过微量添加Ni和Sb提升机械强度和熔点稳定性，而Bi的引入在提高强度的同时降低整体熔点，使合金在206~218℃范围内具有优良的可焊性。

　　这种合金在大面积焊接中的表现十分亮眼：在2000次温度循环（-40℃~+125℃）测试中，分层率最低仅2.5%，显著优于SAC系列焊料的18%。

　　同时，其空洞率仅3%~7%，可通过优化回流曲线与氮气氛围进一步降低。这表明，在适当设计条件下，焊接方案依然能够满足中等功率密度模块的可靠性需求。

　　从经济角度来看，焊接技术的成本优势非常明显。

　　银的单价约800欧元/公斤，而锡、铋、锑、铟等金属均低于200欧元/公斤。常用SnBi58、SnBiAg1等合金成本仅为31~39欧元/公斤，约为含银焊料SAC305的二分之一。这种巨大的成本差异，使焊接技术成为2万~4万美元级别电动车的首选。

　　对于追求成本控制和规模化生产的车企来说，这种方案更符合市场定位。

　　焊料的热导率不足（通常低于65 W/mK），但通过优化封装结构、增加散热路径（如集成铜底板、高导热硅氮化铝基板），其整体热性能仍可满足主流电驱系统需求。

　　Innolot和HT1等合金还具备应对高热失配结构（如铝芯基板）的潜力。未来若能在不显著提高工艺温度的前提下进一步降低空洞率，其性能有望逼近低温银烧结层。

　　不过，焊接的根本限制仍在于材料物理属性。SAC系列焊料熔点仅221℃，远低于银或铜烧结层的900℃以上，因此在高结温环境下容易发生蠕变和金属间化合物脆化。这决定了焊接技术难以完全胜任未来175℃以上结温的SiC模块。

　　其市场应用范围将更集中于中低功率场景，如混动车逆变器、低压DC/DC模块或经济型充电设备。

　　小结

　　大面积烧结与大面积焊接之间的竞争，是性能与成本之间的系统博弈。

　　烧结技术代表着性能极限的方向，它凭借优异的导热能力与长期可靠性，为高端SiC模块提供了坚实基础，高昂的材料成本与工艺复杂度，决定了短期内难以在中低端市场普及。焊接技术则凭借成熟度与成本控制，仍将在大规模量产领域长期占据主流。

　　未来趋势将朝着材料替代与混合连接方向发展。铜烧结的成熟或将显著降低烧结成本，使其渗透至更广的电驱模块领域，混合方案（如芯片烧结+基板焊接）将成为过渡阶段的现实选择，在性能与成本间找到动态平衡。

　　原文标题 : 功率模块封装技术：大面积焊接和大面积烧结的对比