半导体IGBT采用银烧结工艺（LTJT）的优势探讨

随着现代电力电子技术的飞速发展，功率半导体器件在电力转换与能源管理领域的应用越来越广泛。其中，绝缘栅双极晶体管（IGBT）以其显著优点在功率半导体器件中脱颖而出，然而，传统的焊接技术已经难以满足IGBT模块对高可靠性的需求。在这一背景下，银烧结工艺（LTJT）作为一种新型连接技术，正逐渐成为IGBT封装领域的研究与应用热点。

 

一、IGBT概述

 

IGBT，即绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合型半导体器件。它结合了MOS管的高输入阻抗和晶体管的低导通压降两方面的优点，特别适用于高电压、大电流的应用场合。IGBT是电压控制型器件，具有开关特性，但没有放大功能。

 

二、传统焊接技术的挑战

 

传统的焊接技术，如软钎焊，虽然在IGBT模块封装中广泛应用，但随着IGBT功率等级的提升和封装尺寸的缩小，其局限性愈发明显。传统焊接材料的熔点较低，导致在高温工作环境下焊层容易出现退化现象，从而影响器件的可靠性。此外，传统焊接技术的热阻较高，不利于IGBT模块的散热，限制了其性能的提升。

 

三、银烧结工艺（LTJT）的优势

 

银烧结工艺（LTJT）作为一种新型连接技术，以其独特的优势正在逐渐取代传统的焊接技术。该技术采用微米和纳米级的银颗粒（银浆、银膜和银粉）通过烧结实现材料连接。相较于传统焊接技术，银烧结工艺具有以下显著优势：

 

高熔点：银的熔点高达961℃，远高于传统焊接材料的熔点。这使得采用银烧结工艺的IGBT模块能够在高温环境下稳定工作，大大提高了模块的可靠性。

低热阻：银具有优异的导热性能，采用银烧结工艺可以显著降低IGBT模块内部的热阻，提高散热性能。这有利于降低IGBT的工作温度，延长其使用寿命。

优异的电性能：银的导电性能极佳，可以有效降低连接层的电阻，从而提高IGBT模块的工作效率。

抗疲劳性能好：银烧结工艺形成的冶金结合层具有更高的强度和更好的耐热循环性能，能够有效抵抗热应力和机械应力，提高模块的耐久性。

四、银烧结工艺的关键步骤

 

银烧结工艺主要包括以下关键步骤：

 

焊料制备：选用高纯度的银粉，通过添加适量的有机载体和分散剂，制备成具有一定流动性和黏度的银膏。

芯片与基板预处理：对芯片和基板的连接表面进行清洁、除油和粗化处理，以提高银膏与连接表面的润湿性和结合强度。

银膏涂覆与定位：将制备好的银膏均匀涂覆在芯片或基板的连接表面上，并通过精确定位确保芯片与基板的准确对位。

烧结过程：在一定的温度和压力下进行烧结。烧结过程中，银膏中的有机载体和分散剂在高温下分解挥发，银粉颗粒之间发生固态扩散或液态烧结，形成致密的银层，实现芯片与基板的冶金结合。

五、银烧结工艺的挑战与展望

 

尽管银烧结工艺在IGBT模块封装中具有诸多优势，但在实际应用过程中仍面临一些挑战，如银焊料价格昂贵、容易氧化以及与铜基板间的热膨胀系数差异等问题。针对这些问题，研究者们正在不断探索新型的焊料合金、抗氧化涂层技术以及热应力缓解措施。

 

展望未来，随着新材料、新技术的不断涌现和电力电子市场的持续发展，银烧结工艺有望得到进一步的完善和优化。同时，随着银烧结技术与其他连接技术的相互补充和共同发展，IGBT模块的可靠性和性能将得到进一步提升，为电力电子技术的进步做出更大的贡献。

 

六、结论

 

银烧结工艺以其高熔点、低热阻、优异的导热性能和抗疲劳性能等独特优势，在IGBT模块封装领域展现出广阔的应用前景。通过不断优化工艺参数和降低成本，银烧结工艺有望为IGBT模块的高可靠性、高性能和小型化提供有力保障，推动电力电子技术的持续发展和创新。随着技术的不断进步和市场需求的持续增长，相信银烧结工艺将在未来发挥更加重要的作用。