提高功率密度的多种烧结选项
事半功倍，当然，将更多功能封装到更小的外形中意味着利用任何适用的技术。其中一项技术是烧结，这是一种成熟的焊接替代方案。烧结可以增加复杂性，但也可以解决许多问题。
烧结在实现高密度电力电子方面发挥着至关重要的作用。它提供了一种稳健、导热且可靠的方法，用于将功率半导体器件（例如 SiC 或 GaN 芯片）连接到基板、引线框架或散热器上，特别是在焊接达到极限的苛刻应用中（例如，工作温度可能接近某些焊料的熔点）。
1. 该表比较了电力电子应用中烧结和焊接的热性能和电性能。
在这种情况下，烧结通常是指纳米银或其他金属颗粒在低于熔点的温度下进行压力辅助或无压键合。该工艺通过原子扩散在表面之间形成致密的金属键，形成具有高导热性和导电性以及优异机械强度的接头。
烧结在高密度电力电子中的作用是什么？
提高导热性：烧结银的导热系数为 ~200 至 250 W/m·K，远远超过典型焊料 （~50 W/m·K）。这有助于更有效地散热大功率芯片的热量，支持更高的功率密度和更小的外形尺寸。
高可靠性和强度： 烧结接头无空隙且抗裂，在热循环和振动下提供更好的疲劳性能。同样，烧结具有出色的电迁移性和耐腐蚀性，非常适合恶劣环境（电动汽车、航空航天、可再生能源）。
高温运行：烧结材料可以承受 >250°C 的工作温度，远远超过无铅焊料极限。这对于在较高结温下工作的 SiC 和 GaN 等宽禁带半导体至关重要。
2. 烧结和焊接连接的大致工作温度范围。
什么时候烧结是最佳选择？
在以下情况下首选烧结：
功率密度高，散热至关重要。
工作温度超过 200°C（例如，SiC 逆变器、电动汽车牵引系统）。
热循环下的可靠性是重中之重。
传统的焊点容易失效，尤其是在大电流或振动下。
关键任务系统需要较长的使用寿命（20+ 年）。
权衡
成本：烧结（尤其是银）比焊接更昂贵。
处理复杂性： 可能需要压力、惰性气氛或严格的过程控制。
设备：批量生产可能需要专门的烧结设备。
烧结技术的前景
高密度电力电子烧结的最新和新兴发展解决了关键挑战——成本、可扩展性和性能——同时为紧凑、高可靠性系统开启了新的可能性。以下是一些最有前途的创新：
低温、无压烧结
新的银浆和纳米配方允许在< 200°C 下烧结，无需外部压力。这减少了敏感基材（例如陶瓷、聚合物杂化物）上的应力，并能够同时共烧结多层或芯片。它非常适合自动化、高通量装配线。
铜烧结（银替代品）
铜纳米颗粒烧结正在成为银的低成本替代品，具有相当的导热性/导电性。该技术需要进行无氧加工或表面处理以防止氧化。它通常适用于担心成本限制或银迁移的应用（例如，汽车、消费电子）。
混合烧结材料
复合烧结浆料（例如Ag-Cu、Ag-石墨烯、Ag-Sn）的开发结合了多种材料的优点，这些材料经过调整以优化热膨胀、减少空隙并增强接头延展性，从而提高抗冲击/应变能力。这为航空航天和国防系统等坚固耐用的电子产品带来了希望。
原位监控和基于人工智能的控制
将实时传感（温度、压力、电阻）集成到烧结平台中可以使烧结更加实用。AI/ML 驱动的流程优化可实现预测性质量控制，减少缺陷并提高产量。这在多芯片功率模块和先进封装（例如堆叠芯片）中尤其有价值。
3D 烧结互连和打印功率结构
用于大电流、高密度模块的 3D 烧结金属特征（过孔、凸块和互连）的增材制造支持垂直电源模块架构和高级冷却策略（例如嵌入式微通道）。它可以以超紧凑的格式将电源、逻辑和无源元件共同封装。
增强型散热基板
烧结正在与金刚石、石墨烯或氮化铝 （AlN） 衬底相结合，以创建超高性能热堆栈。这可以促进 SiC 逆变器和电动汽车快速充电器等设备的热通量管理。使用梯度烧结层的定制界面可降低热膨胀失配和分层风险。
结论
烧结可以成为高可靠性、高温、高密度功率模块的关键推动因素。它越来越多地被用于电动汽车、航空航天和可再生能源转换器，这些领域的性能和寿命证明了增加的复杂性和成本是合理的。
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