随着电力电子器件向着更高功率密度、更小体积和更高集成度等方向发展，特别是以SiC和GaN为代表的第三代半导体功率器件具备更高的工作温度、功率密度和工作电压，使用时芯片结温可达 200℃以上，这已超过传统封装材料能够长期服役的温度范围，因此，开发低温连接、高温服役的高可靠性无铅互连材料具有重要意义。研究发现金属中高导电和导电率的银或者铜的烧结是有前景的方法。识别下方二维码，关注公众号，通过底部菜单申请加入碳化硅半导体产业链微信群。
一、烧结铜和烧结银、高铅焊料的对比
近年来，为满足芯片服役的温度要求，相继研究和开发了以银和铜等颗粒为填料的银膏和铜膏，部分已用于进行功率芯片封装，以实现器件“低温烧结，高温服役”的目的。金属银本身具有高熔点和高导热性，其热导率可以达到200 W/mK以上，远超过锡膏中使用的任何合金，目前银膏的规模化制备和烧结工艺均较为成熟，并已有商业化产品；虽然银膏烧结接头具有优异的电互连性能，但银膏材料价格较昂贵，且烧结接头容易出现迁移短路等问题。
表 烧结铜与烧结银、高铅焊料的对比 来源：日立
图 烧结铜与烧结银、高铅焊料的功率循环测试结果对比
烧结铜膏是新型功率器件封装互连中理想的连接材料之一。与银相比，铜熔点更高，烧结铜膏具有更好热循环能力，烧结接头电气性能优良且抗电迁移性能高，原材料成本低等特点，将其用于功率芯片封装可大幅度降低制造成本，有利于大规模工业化生产，可以与Cu、Ag、Au、Ni高强度接合，不含对环境有害的物质。
二、烧结铜技术或成未来趋势
烧结铜技术是采用铜颗粒作为半导体芯片的键合材料，铜颗粒在烧结过程中界面铜原子互扩散形成烧结铜接合层。使用烧结铜需要经过三个步骤：①印刷烧结铜；②贴芯片；③烧结铜烘干烧结。
与锡焊料的熔焊机理不同，烧结铜连接技术通过颗粒尺度效应促进颗粒表面原子扩散，进而在较低的温度下进行焊接，焊接后形成的块体中颗粒尺度效应小时，重熔温度恢复到块体铜的熔点，保证了其高温可靠性。
烧结铜连接技术中的关键是如何在较低的烧结温度下（＜300℃）获得可靠的烧结结构。主要难点有两个：
①铜的易氧化性，生成的氧化铜层不易热分解，阻碍铜原子的扩散；
因此，铜接头的烧结通常需要是在还原气氛中（H2）在较高温度（＞300℃）或高压下（＞5MPa）进行，以消除表面氧化物的有害影响，但这限制了其在工业上的应用。
图 烧结铜膏与接合界面示意图，来源：Resonac
可能解决方法是进行表面处理，例如在铜颗粒上涂覆金属层，也有不少研究指出利用甲酸（CH2O2）、抗坏血酸（C6H8O6）等短链羧酸可去除铜颗粒表面氧化物，促进铜原子在烧结过程中的扩散。此外在铜膏中引入粒径在10nm以下的铜纳米颗粒也可以显著降低烧结温度和烧结压力，并获得良好的互连接头。目前已有厂商例如贺利氏、三井金属等开发出了加压型/无加压型的烧结铜膏技术。
有研究表明，即使铜膏烧结后显微组织致密度比烧结银更低，但其功率循环寿命却为相应烧结银膏的两倍。这说明铜膏在高压高频器件封装中具有更为广阔的应用前景。日立采用烧结铜技术制作全SiC功率器件（3.3 kV、1000 A）的输出密度可达47 kVA/cm²，比传统技术提高25%（2019年数据），烧结铜有望成为功率半导体封装互连技术趋势。
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资料来源：
1.Effect of Sintering Conditions on the Mechanical Strength of Cu-Sintered Joints for High-Power Applications，Jeong-Won Yoon and Jong-Hoon Back；
2.芯片互连用粒径双峰分布纳米铜膏的低温无压烧结纳连接机理和接头可靠性，黄海军，周敏波等；
3.芯片互连用低温低压铜-铜烧结键合技术研究，肖宇博；
4.功率器件芯片互连用低温烧结铜基电子浆料研究进展，徐恒；
