文章來(lái)源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本主要講解了芯片封裝中銀燒結(jié)工藝的原理、優(yōu)勢(shì)、工程化應(yīng)用以及未來(lái)展望。

燒結(jié)工藝

燒結(jié)是將礦粉、熔劑與燃料按照精確的配比方案進(jìn)行調(diào)配，通過機(jī)械攪拌或氣流混合等方式實(shí)現(xiàn)均勻分散。在燃料劇烈燃燒營(yíng)造的高溫環(huán)境中，部分原料發(fā)生熔化或軟化的物理變化，同時(shí)伴隨復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，諸如氧化物的還原、碳酸鹽的分解等。此過程中產(chǎn)生的液相物質(zhì)在溫度下降時(shí)逐漸凝固，通過顆粒間的黏結(jié)與再結(jié)晶，最終形成致密的塊狀物體。對(duì)于兩種不同金屬而言，它們能夠在遠(yuǎn)低于各自熔點(diǎn)的溫度區(qū)間，依據(jù)特定比例熔合形成共熔合金，這一臨界溫度被定義為低共熔點(diǎn)，其數(shù)值取決于金屬成分的相互作用。

芯片封裝燒結(jié)

在芯片封裝領(lǐng)域，燒結(jié)工藝作為核心互連手段，具體實(shí)施時(shí)需在芯片與載體（包括基片或管殼）之間精準(zhǔn)置入合金焊料薄片。將組件置于真空腔室或充滿氮?dú)狻鍤獾缺Ｗo(hù)氣體的環(huán)境中，通過梯度升溫至合金的共熔點(diǎn)，促使焊料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。液態(tài)合金憑借表面張力與浸潤(rùn)特性，迅速鋪展覆蓋芯片襯底的焊接層金屬以及載體的焊接面，形成原子級(jí)別的緊密接觸。在此期間，焊料中的活性成分與金屬表面發(fā)生擴(kuò)散、溶解及化合反應(yīng)，生成具有特定晶體結(jié)構(gòu)的金屬間化合物。當(dāng)溫度冷卻至共熔點(diǎn)以下，液態(tài)合金與金屬間化合物協(xié)同固化，在芯片與載體間構(gòu)建起低電阻的歐姆接觸，完成高性能的電氣互連。

銀燒結(jié)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

銀燒結(jié)技術(shù)，業(yè)界又稱低溫連接技術(shù)，其性能優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在多個(gè)維度：首先，燒結(jié)形成的連接層以純銀為主，具備高達(dá) 63×10? S/m 的電導(dǎo)率與 429 W/(m?K) 的熱導(dǎo)率，可有效降低互連電阻與熱阻；其次，銀的 961℃高熔點(diǎn)使其在長(zhǎng)期服役中，相較熔點(diǎn)低于 300℃的軟釬焊材料，能規(guī)避因溫度循環(huán)引發(fā)的疲勞裂紋擴(kuò)展，可靠性提升數(shù)倍；再者，燒結(jié)材料體系豐富，按銀顆粒物理形態(tài)可細(xì)分為觸變性銀漿、自支撐銀膜及流動(dòng)性銀粉，按尺寸劃分為微米級(jí)（1-100μm）、納米級(jí)（1-100nm）及混合級(jí)（兼具微米骨架與納米活性）；最后，銀的化學(xué)穩(wěn)定性賦予其卓越的抗硫化、抗電化學(xué)腐蝕能力，配合極低的蠕變速率，確保在高溫高濕環(huán)境下仍維持連接界面的完整性。

燒結(jié)原理示意圖

納米銀顆粒特性與應(yīng)用困境

納米級(jí)銀顆粒因量子尺寸效應(yīng)，表面原子占比激增導(dǎo)致熔點(diǎn)顯著下降，部分納米銀的初始燒結(jié)溫度可低至 150℃。處于熔融態(tài)的納米顆粒通過液相毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)，發(fā)生頸縮、融合與 Ostwald 熟化過程，最終形成具有塊體銀強(qiáng)度的燒結(jié)體。然而，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用面臨雙重挑戰(zhàn)：工藝層面，傳統(tǒng)熱壓燒結(jié)需施加 5-50 MPa 壓力，既限制自動(dòng)化產(chǎn)線適配性，又存在芯片碎裂風(fēng)險(xiǎn)；雖發(fā)展出無(wú)壓燒結(jié)與微波閃燒等新工藝，但 250-350℃的燒結(jié)溫度仍高于多數(shù)聚合物封裝材料的耐熱極限，無(wú)法替代 Sn-Pb 焊料的中溫工藝窗口。安全層面，納米銀顆粒（10?? m 量級(jí)）可穿透人體角質(zhì)層，經(jīng)皮膚吸收后可能富集于肝臟、腎臟等器官，目前缺乏完善的職業(yè)暴露防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，制約了其大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

銀燒結(jié)材料優(yōu)化與機(jī)制

為抑制微米 / 納米銀顆粒的團(tuán)聚傾向，常引入分散劑、黏結(jié)劑等有機(jī)添加劑構(gòu)建穩(wěn)定體系。在燒結(jié)過程中，有機(jī)物經(jīng)歷三個(gè)階段變化：低溫段（<150℃）溶劑揮發(fā)，中溫段（150-300℃）高分子分解，高溫段（>300℃）殘余碳氧化，最終在連接層中僅留存純度＞99.9% 的銀相。該技術(shù)的本質(zhì)是基于銀原子的體擴(kuò)散與表面擴(kuò)散機(jī)制：在溫度激活下，銀原子跨越顆粒界面遷移，通過晶格重組形成冶金結(jié)合。當(dāng)前研究聚焦納米銀漿的界面工程，通過表面修飾降低燒結(jié)活化能，以期實(shí)現(xiàn) 180℃以下的無(wú)壓互連，推動(dòng)電子封裝向高集成、高可靠方向發(fā)展。

納米級(jí)銀顆粒的燒結(jié)歷程呈現(xiàn)出顯著的階段性特征。初始階段以顆粒間的物理接觸為起點(diǎn)，在原子級(jí)尺度上，銀顆粒表面活性位點(diǎn)相互作用形成燒結(jié)頸。此階段主導(dǎo)原子遷移的表面擴(kuò)散機(jī)制，源于納米顆粒極高的比表面積——每單位質(zhì)量的顆粒暴露著海量表面原子，這些原子因配位不飽和而具備高化學(xué)活性，自發(fā)向接觸區(qū)域匯聚，促使燒結(jié)頸緩慢生長(zhǎng)。隨著燒結(jié)進(jìn)程推進(jìn)至中間階段，原子遷移模式轉(zhuǎn)向體擴(kuò)散與晶界擴(kuò)散。銀原子跨越顆粒內(nèi)部晶格或沿晶界路徑，持續(xù)填充燒結(jié)頸區(qū)域。在此期間，顆粒間距以納米級(jí)精度逐步縮減，孤立的顆粒通過燒結(jié)頸的擴(kuò)展相互連接，構(gòu)建起三維貫通的孔隙網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的演變直接關(guān)聯(lián)材料性能提升：隨著原子重排與鍵合增強(qiáng)，燒結(jié)層密度從松散顆粒態(tài)向致密結(jié)構(gòu)過渡，其力學(xué)強(qiáng)度與導(dǎo)電導(dǎo)熱性能呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。燒結(jié)后期聚焦于孔隙的精細(xì)化演變。原本連續(xù)的孔洞在表面張力驅(qū)動(dòng)下發(fā)生球化，隨后通過 Ostwald 熟化機(jī)制逐步縮小。這一過程中，小孔洞因曲率驅(qū)動(dòng)的原子蒸氣壓差異被逐漸消除，大孔洞則持續(xù)收縮。當(dāng)工藝參數(shù)匹配理想狀態(tài)時(shí)，最終形成接近理論密度的微觀結(jié)構(gòu)，僅殘留亞微米級(jí)孤立孔隙。驅(qū)動(dòng)這一復(fù)雜過程的能量源包含多重因素。表面能作為核心驅(qū)動(dòng)力，與顆粒尺寸呈現(xiàn)反比關(guān)系——納米級(jí)銀顆粒因尺寸縮減至1-100 nm，其表面能密度可達(dá)塊體銀的數(shù)十倍，形成強(qiáng)大的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力。此外，外部施加的壓力、體系內(nèi)的化學(xué)勢(shì)梯度以及顆粒接觸產(chǎn)生的局部應(yīng)力場(chǎng)，均協(xié)同促進(jìn)原子的定向遷移。這些驅(qū)動(dòng)力的疊加效應(yīng)，在微觀層面決定著銀原子擴(kuò)散路徑與速率。

經(jīng)燒結(jié)形成的連接層展現(xiàn)出獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)特性。盡管存在微米級(jí)孔隙網(wǎng)絡(luò)，但其導(dǎo)電率仍能維持純銀的90%（孔隙率10%時(shí)），熱導(dǎo)率提升至軟釬焊材料的3倍，熱阻降至后者的1/15。這種性能優(yōu)勢(shì)在功率模塊應(yīng)用中轉(zhuǎn)化為顯著的壽命提升：銀燒結(jié)互連結(jié)構(gòu)的功率循環(huán)次數(shù)可達(dá)軟釬焊的2-3倍，同時(shí)層厚減少70%，有效緩解了傳統(tǒng)焊接工藝的熱阻瓶頸。然而，銀燒結(jié)工藝的工程化應(yīng)用面臨參數(shù)調(diào)控的復(fù)雜挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)熱壓燒結(jié)需施加40 MPa壓力，該值已接近硅芯片材料的臨界承壓能力（53.6 MPa），極易在芯片表面形成應(yīng)力集中區(qū)，引發(fā)裂紋或電學(xué)性能劣化。同時(shí)，壓力維持系統(tǒng)與自動(dòng)化產(chǎn)線的兼容性較差，推動(dòng)了無(wú)壓燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展。無(wú)壓工藝雖犧牲部分致密度（孔隙率略增），但憑借銀原子的自擴(kuò)散特性，仍能實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的導(dǎo)電可靠性，尤其適用于小尺寸芯片與低功率密度封裝場(chǎng)景。

溫度參數(shù)對(duì)燒結(jié)質(zhì)量的非線性影響

溫度參數(shù)對(duì)燒結(jié)質(zhì)量的影響呈現(xiàn)非線性特征。銀漿料中的有機(jī)添加劑需經(jīng)歷分階段分解：100℃以下完成溶劑揮發(fā)，200-300℃區(qū)間發(fā)生高分子鏈的氧化裂解。只有當(dāng)有機(jī)物完全脫除后，銀顆粒方能建立直接冶金接觸。研究表明，在恒定壓力下，200-280℃溫度區(qū)間內(nèi)剪切強(qiáng)度隨溫度上升顯著提高，超過該范圍后增幅趨緩。值得注意的是，不同粒徑的銀顆粒（納米級(jí) vs 微米級(jí)）對(duì)應(yīng)不同的最佳溫度窗口，需通過工藝設(shè)計(jì)精確匹配。

時(shí)間維度下的燒結(jié)動(dòng)力學(xué)特征

時(shí)間維度上，燒結(jié)動(dòng)力學(xué)曲線呈現(xiàn)典型的“S”型特征。初期幾秒至數(shù)十秒內(nèi)，顆粒快速融合形成穩(wěn)定骨架，剪切強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)80%以上的增長(zhǎng)；后續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間雖可繼續(xù)提升致密度，但邊際效益遞減。這種動(dòng)力學(xué)特性要求工程師在可靠性與生產(chǎn)效率間尋求平衡——過度延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間不僅增加能耗，還可能引發(fā)界面金屬間化合物的過度生長(zhǎng)。

表面工程在銀燒結(jié)中扮演關(guān)鍵角色。為抑制銅基底的高溫氧化，常采用“鎳阻擋層+貴金屬鍍層”的復(fù)合結(jié)構(gòu)：底層鎳層（厚度0.5-2 μm）通過擴(kuò)散屏障效應(yīng)延緩銅原子遷移，頂層銀或金鍍層（0.1-1 μm）為銀漿提供高活性燒結(jié)界面。鍍層粗糙度需與銀顆粒尺寸精密匹配：當(dāng)粗糙度Ra值控制在銀顆粒平均粒徑的1/3-1/2時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最佳浸潤(rùn)效果與機(jī)械嵌合。這種多尺度界面優(yōu)化策略，成為突破銀燒結(jié)工藝瓶頸的核心技術(shù)路徑。

銀燒結(jié)與軟釬焊的環(huán)境工藝對(duì)比

銀燒結(jié)工藝與軟釬焊的真空回流焊在環(huán)境選擇上存在本質(zhì)差異。常規(guī)銀燒結(jié)作業(yè)通常以空氣為介質(zhì)，這一設(shè)定源于銀漿內(nèi)部有機(jī)成分的特性——在燒結(jié)進(jìn)程中，需借助氧氣參與氧化反應(yīng)，促使有機(jī)物質(zhì)燒蝕分解，故而對(duì)環(huán)境中的氧含量存在硬性需求。而當(dāng)銀燒結(jié)工藝引入真空回流焊模式時(shí)，則依托真空燒結(jié)爐構(gòu)建精密可控的氣氛環(huán)境，通過有序執(zhí)行預(yù)熱、排氣、深度抽真空、梯度升溫、緩速降溫及保護(hù)性進(jìn)氣等操作環(huán)節(jié)，配合定制化的溫度曲線與氣體流量控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)燒結(jié)全過程的精準(zhǔn)調(diào)控。

真空燒結(jié)優(yōu)勢(shì)

相較于傳統(tǒng)焊接工藝，真空燒結(jié)技術(shù)展現(xiàn)出三重顯著優(yōu)勢(shì)：其一，因完全摒棄助焊劑的使用，徹底規(guī)避了助焊劑殘留引發(fā)的清潔工序及潛在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；其二，通過抽真空手段將爐內(nèi)氧含量降至極低水平，從根源上抑制金屬氧化物的生成，保障焊接界面的純凈度；其三，真空環(huán)境下，焊料內(nèi)部及界面吸附的氣體在燒結(jié)完成前即沿邊緣充分逸散，確保焊接面呈現(xiàn)無(wú)氣泡的致密狀態(tài)。對(duì)比非真空加壓燒結(jié)工藝，二者核心分歧聚焦于焊料形態(tài)：非真空工藝依賴含豐富有機(jī)載體的銀漿體系，需經(jīng)高溫氧化燒蝕完成有機(jī)物脫除；而真空工藝多采用預(yù)制焊片，其成分以金屬合金為主，無(wú)有機(jī)物揮發(fā)需求，從而簡(jiǎn)化工藝路徑。

燒結(jié)焊料選取的一般原則

銀燒結(jié)工藝的工程化應(yīng)用

燒結(jié)焊料的選型需緊密貼合應(yīng)用場(chǎng)景特性。含銀基焊料憑借相似金屬界面的浸潤(rùn)優(yōu)勢(shì)，與鍍銀端面展現(xiàn)出良好的接合匹配性；含金、銦元素的合金焊料則對(duì)鍍金表面具備更強(qiáng)的親和能力；金錫合金因固有硬度高、延展性差（延伸率低）的特性，在大面積芯片焊接中易引發(fā)應(yīng)力集中，適用性受限；針對(duì)背面材質(zhì)為硅（Si）的芯片，優(yōu)選鍍金基片作為載體，并對(duì)鍍層厚度提出量化要求（通常需≥X μm），在此場(chǎng)景下，金銻、金硅系焊料因熱膨脹系數(shù)匹配度高、界面反應(yīng)可控，成為工藝首選。不同焊料的適配準(zhǔn)則詳見表3-2所歸納的材質(zhì)-應(yīng)用對(duì)應(yīng)關(guān)系矩陣。

在銀燒結(jié)工藝實(shí)踐中，工藝參數(shù)與材料狀態(tài)對(duì)成品性能存在顯著影響。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，芯片面積每增加10%或燒結(jié)層厚度提升5μm，剪切強(qiáng)度平均下降8%-12%，該現(xiàn)象歸因于應(yīng)力分布不均與擴(kuò)散路徑延長(zhǎng)。此外，基片、載體、焊料及芯片背面的污染（如油脂、塵埃殘留）會(huì)形成擴(kuò)散屏障，阻礙合金原子的跨界面遷移，導(dǎo)致燒結(jié)界面結(jié)合力下降。長(zhǎng)期存放的材料（超過30天）因表面氧化層增厚（氧化物厚度＞50nm），即便經(jīng)預(yù)處理，殘留氧化膜仍會(huì)在焊料熔融后形成微米級(jí)空洞，降低連接層致密度。在此情境下，向爐腔引入體積分?jǐn)?shù)0.5%-2%的氫氣,可通過H?+MeO→H?O+Me反應(yīng)還原部分金屬氧化物，改善界面純凈度。

工藝實(shí)施層面，壓力調(diào)控是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在芯片表面施加1-5MPa壓力可使界面間隙從20μm縮減至5μm以下，顯著減少空洞形成。但直接施壓易造成芯片表面劃痕或裂紋（損傷概率隨壓力超2MPa呈指數(shù)上升），工程中普遍采用等面積保護(hù)硅片（厚度0.2-0.5mm）作為緩沖層，既傳遞壓力又避免直接接觸損傷。鑒于燒結(jié)過程中氣流擾動(dòng)（如真空切換或氣體吹掃）可能導(dǎo)致芯片偏移（位移量＞100μm時(shí)焊接失效），需使用高精度夾具定位。高純石墨夾具（純度＞99.95%）因具備150W/(m·K)導(dǎo)熱率、1500℃熱穩(wěn)定性及0.5%熱膨脹系數(shù)，能在維持溫度均勻性的同時(shí)提供可靠夾持力。

燒結(jié)流程遵循“預(yù)熱-保溫-冷卻”三段式曲線：預(yù)熱階段以5-10℃/min速率升至焊料共晶點(diǎn)以下50℃，消除濕氣與應(yīng)力；保溫階段維持高于共晶點(diǎn)30-50℃（典型值如銀基焊料280-320℃），持續(xù)10-30min確保充分?jǐn)U散；冷卻階段以8-12℃/min降至室溫。需強(qiáng)調(diào)的是，銀燒結(jié)并非簡(jiǎn)單共晶過程，其微觀組織由Ag?Sn、Ag-Cu固溶體等多種金屬間化合物交織而成，經(jīng)再結(jié)晶形成蜂窩狀致密結(jié)構(gòu)，較傳統(tǒng)釬焊多出晶界強(qiáng)化與固溶強(qiáng)化機(jī)制。

質(zhì)量檢測(cè)方面，因銀燒結(jié)層空洞尺寸集中于0.5-5μm，常規(guī)X光（分辨率＞10μm）與超聲掃描（盲區(qū)＞2μm）難以識(shí)別。目前依賴芯片推剪試驗(yàn)（剪切速率0.5mm/min）量化結(jié)合力，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，銀燒結(jié)層抗剪強(qiáng)度可達(dá)80-120MPa，遠(yuǎn)超芯片（硅基材料抗剪強(qiáng)度30-50MPa），導(dǎo)致90%以上失效模式表現(xiàn)為芯片本體碎裂而非焊層脫粘。

可靠性評(píng)估聚焦熱應(yīng)力管理。由于硅（CTE 2.6ppm/℃）與銀（CTE 18ppm/℃）的膨脹系數(shù)差異，在-40℃至150℃循環(huán)測(cè)試中，界面熱應(yīng)力可達(dá)50-80MPa。與具備10%-20%蠕變應(yīng)變能力的軟釬焊料不同，銀燒結(jié)層（蠕變率＜0.1%）缺乏應(yīng)力緩沖，需通過材料匹配降低風(fēng)險(xiǎn)。工程實(shí)踐表明，采用CTE介于5-8ppm/℃的中間層材料（如鎢銅合金），配合仿真優(yōu)化芯片-焊層-基板的疊層結(jié)構(gòu)，可將熱應(yīng)力峰值降低40%以上。

而燒結(jié)銀的強(qiáng)度較大但比較薄，不像軟釬焊料也可以有一定的蠕性形變，能吸收應(yīng)力，從而使得上下表面的應(yīng)力差值不那么大，而減少對(duì)芯片的損害，所以燒結(jié)銀對(duì)材料強(qiáng)度相對(duì)較小的硅基芯片，在使用這種工藝時(shí)要綜合考慮材料的CT匹配，從選材到結(jié)構(gòu)上綜合考量，先做仿真應(yīng)力計(jì)算，優(yōu)選材料，包括塑封料。基于此銀燒結(jié)工藝與第三代寬禁帶半導(dǎo)體形成天然適配。以SiC功率模塊為例，其200℃以上工作結(jié)溫遠(yuǎn)超硅基器件（175℃上限），而銀燒結(jié)層961℃熔點(diǎn)可確保長(zhǎng)期高溫穩(wěn)定性。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，SiC模塊經(jīng)銀燒結(jié)封裝后，功率密度提升3倍，熱阻降低60%，在電動(dòng)汽車OBC、光伏逆變器等場(chǎng)景展現(xiàn)出替代傳統(tǒng)焊接的潛力。此外，無(wú)鉛銀基材料符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，其250-350℃燒結(jié)溫度與現(xiàn)有回流焊設(shè)備兼容，進(jìn)一步加速了產(chǎn)業(yè)應(yīng)用進(jìn)程。

未來(lái)展望

回溯技術(shù)演進(jìn)軌跡，銀及金屬燒結(jié)工藝早期憑借超高焊接強(qiáng)度與穩(wěn)定性，深度嵌入軍用電子高可靠封裝體系。伴隨新能源汽車功率模塊需求爆發(fā)，銀燒結(jié)技術(shù)以顛覆性優(yōu)勢(shì)脫穎而出：其構(gòu)建的互連層導(dǎo)電率達(dá)63 MS/m，熱導(dǎo)率突破420 W/(m·K)，相較傳統(tǒng)釬焊實(shí)現(xiàn)熱阻降低80%、功率密度提升3倍。盡管當(dāng)前工藝已步入產(chǎn)業(yè)化成熟期，設(shè)備端真空熱壓系統(tǒng)單臺(tái)成本超200萬(wàn)元，材料側(cè)納米銀漿單價(jià)達(dá)3000元/克，較Sn-Pb焊料溢價(jià)超20倍。但技術(shù)革新正重塑成本曲線：國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的微波閃燒結(jié)設(shè)備將能耗降低60%，納米銀粉水相合成法使原料成本下降40%。

在第三代半導(dǎo)體革命浪潮中，SiC器件200℃+的結(jié)溫工況與銀燒結(jié)層961℃熔點(diǎn)形成天然適配。

面向未來(lái)，封裝技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)已從單一材料性能轉(zhuǎn)向系統(tǒng)級(jí)協(xié)同優(yōu)化。研究顯示，通過梯度熱膨脹系數(shù)設(shè)計(jì)——在芯片與基板間引入鎢銅緩沖層，可使界面熱應(yīng)力降低72%。這種跨尺度材料工程思維，預(yù)示著封裝創(chuàng)新將邁向"性能-成本-可靠性"三維平衡的新階段。當(dāng)銀燒結(jié)工藝突破設(shè)備國(guó)產(chǎn)化與材料規(guī)模化瓶頸，其有望重構(gòu)功率半導(dǎo)體封裝的產(chǎn)業(yè)版圖。