電動汽車功率電子產(chǎn)品需要怎樣的管芯連接技術(shù)

在汽車行業(yè)變革的創(chuàng)新浪潮中，800V高壓平臺的崛起正在引領(lǐng)一場技術(shù)革命。在更高電壓下運行可有效減少焦耳損耗，實現(xiàn)高壓電纜的小型化，從而顯著提高能源效率并減輕車輛重量，為電動汽車的續(xù)航里程和性能提升提供了有力支持。

作為SiC MOSFET領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，英飛凌、安森美和意法半導(dǎo)體通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新，憑借卓越的技術(shù)實力和市場影響力，推動了SiC MOSFET技術(shù)在汽車中的廣泛應(yīng)用。現(xiàn)在，包括通用汽車、現(xiàn)代汽車、大眾汽車、比亞迪和Lucid Motors在內(nèi)的汽車制造商都在推動800V平臺上車。

汽車制造商和Tier1與功率模塊供應(yīng)商建立緊密合作關(guān)系，不僅確保了供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性，也加速了SiC MOSFET技術(shù)在汽車領(lǐng)域的滲透。

在IDTechEx高級技術(shù)分析師Yulin Wang看來，電動汽車功率電子從硅IGBT向SiC MOSFET的轉(zhuǎn)變得益于新技術(shù)和材料的應(yīng)用，特別是結(jié)合了創(chuàng)新的熱管理技術(shù)，如雙面冷卻（DSC）和先進(jìn)的銀燒結(jié)管芯連接，以及高性能熱界面材料（TIM）的使用，這些都顯著提升了器件的熱管理能力。

事實上，隨著車用功率電子技術(shù)的發(fā)展，結(jié)溫預(yù)期將從150℃升高至175℃，甚至可能超過200℃，對熱管理提出了更高的要求。管芯和基板連接材料對于有效的熱管理至關(guān)重要。現(xiàn)在，一些領(lǐng)先的汽車制造商從傳統(tǒng)的焊料合金轉(zhuǎn)向銀燒結(jié)技術(shù)，以實現(xiàn)更有效的熱傳導(dǎo)。

IDTechEx在其報告《2024-2034年電動汽車功率電子的熱管理：預(yù)測、技術(shù)、市場和趨勢》中，總結(jié)了管芯和基板連接技術(shù)的重要進(jìn)展，并給出了商業(yè)應(yīng)用路線圖。

管芯連接材料的挑戰(zhàn)

從某種意義上講，電動汽車功率電子的核心是半導(dǎo)體封裝，其中管芯和基板連接材料扮演著至關(guān)重要的角色。這些材料不僅要確保電流的順暢傳輸，還要承受極端的溫度變化和機(jī)械應(yīng)力，因此材料選擇和設(shè)計對整個系統(tǒng)的性能和可靠性有著直接的影響。

傳統(tǒng)的管芯連接材料是焊料合金，如SnPb（錫鉛合金）和SAC（錫銀銅合金），典型熱導(dǎo)率約為50W/mK，熔化溫度約為200℃。因其良好的熱導(dǎo)率和金屬間化合物形成能力，被廣泛用于焊接過程。這些合金在焊接時能形成低電阻的連接，同時保持較低的界面熱阻，有利于熱量的快速傳遞。這有助于保持低封裝應(yīng)力和處理溫度，同時還能在機(jī)械上固定散熱器。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，新型的管芯連接材料，如基于銀的燒結(jié)材料，開始展現(xiàn)出更高的熱導(dǎo)率和更好的熱穩(wěn)定性。通過物理燒結(jié)過程，這些材料可以實現(xiàn)金屬之間的牢固連接，同時提供更低的熱阻路徑，有助于提高封裝的熱管理效率。

在選擇管芯連接材料時，必須考慮被連接材料（如芯片、管芯、基板等）的熱膨脹系數(shù)（CTE）匹配程度。CTE的不匹配可能導(dǎo)致在溫度變化過程中出現(xiàn)熱機(jī)械應(yīng)變，從而引發(fā)封裝材料的疲勞和斷裂。因此，材料的熱膨脹特性是評估其長期可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

此外，管芯連接材料還應(yīng)具備良好的電氣絕緣性能和化學(xué)穩(wěn)定性，以確保在惡劣的工作環(huán)境下也能保持穩(wěn)定的電氣性能。同時，材料應(yīng)易于加工成型，以適應(yīng)不同形狀和尺寸的封裝需求。

銀燒結(jié)正在興起

隨著電動汽車技術(shù)的飛速發(fā)展，對功率電子器件的要求也日益嚴(yán)苛，尤其是在高溫環(huán)境下的性能表現(xiàn)。在這種背景下，銀燒結(jié)技術(shù)作為一種新興的管芯連接解決方案，正逐漸受到業(yè)界的青睞。

銀燒結(jié)技術(shù)因其卓越的熱傳導(dǎo)性能和較高的熔點而脫穎而出。其熱導(dǎo)率高達(dá)200-300W/mK，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)焊料合金，使其在熱管理方面具有顯著優(yōu)勢。同時，銀燒結(jié)材料的CTE接近銅（17.5），有助于減少因溫度變化引起的熱應(yīng)力，從而提高封裝的可靠性；銀燒結(jié)具有塊體材料的高熔融溫度；燒結(jié)多孔銀鍵合線可提供高導(dǎo)熱性（200-300W/mK），同時保持薄鍵合線（20-30μm，甚至10μm），有效降低了整體熱阻。這方面的例子是特斯拉、大眾和比亞迪等，由于結(jié)溫升高，他們已經(jīng)從焊料合金過渡到銀燒結(jié)技術(shù)。

盡管銀燒結(jié)技術(shù)具有諸多優(yōu)點，但它也面臨著一些挑戰(zhàn)。其中，保證高剪切強(qiáng)度是一項重要任務(wù)。早期的銀燒結(jié)在銀金屬化表面上表現(xiàn)最佳，而在許多使用銅作為金屬化層的直接鍵合銅（DBC）基板上兼容性不足。隨著燒結(jié)工藝的改進(jìn)和配方的優(yōu)化，這一問題已得到有效解決。

此外，銀燒結(jié)過程中的燒結(jié)時間較長，即使在施加壓力的情況下也會增加生產(chǎn)周期。近年來，利用納米油墨和干膜轉(zhuǎn)移技術(shù)已成功縮短了燒結(jié)時間（2-5分鐘），而且只需要溫和的壓力（低于30MPa），更適合與超薄管芯一起使用，這使得銀燒結(jié)技術(shù)更適用于大規(guī)模生產(chǎn)。

成本是銀燒結(jié)技術(shù)普及的另一個關(guān)鍵因素。由于銀材料的價格較高，銀燒結(jié)技術(shù)的成本通常高于傳統(tǒng)焊料合金。不過，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和工藝的成熟，銀燒結(jié)技術(shù)的成本有望逐步降低。此外，對于追求高性能和高可靠性的汽車制造商而言，在中高端汽車中采用銀燒結(jié)技術(shù)的額外成本（材料成本約為2美元/克）是可以接受的。

銀燒結(jié)技術(shù)雖然在成本上高于傳統(tǒng)焊料合金，但其卓越的性能優(yōu)勢使其在高端電動汽車市場中具有競爭力。盡管成本可能是傳統(tǒng)焊料合金的五倍，但領(lǐng)先汽車制造商的大規(guī)模生產(chǎn)和議價能力有助于降低成本。

此外，銀燒結(jié)技術(shù)在熱管理和可靠性方面的優(yōu)勢，使其成為高性能應(yīng)用的理想選擇。相比之下，銅燒結(jié)管芯連接技術(shù)的理論成本較低，但截至2024年，其在商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用尚不普遍。

銅燒結(jié)漸行漸近

與銀燒結(jié)非常相似，銅燒結(jié)漿料有不同的形式，在不同的氣體環(huán)境下分為有壓力和無壓力兩種變體。理論上，銅燒結(jié)可以緩解銀燒結(jié)的高成本問題，一家領(lǐng)先的供應(yīng)商稱，銅燒結(jié)的成本只有銀燒結(jié)的一半。銦泰公司負(fù)責(zé)推廣功率半導(dǎo)體材料的產(chǎn)品經(jīng)理DeanPayne表示，銅的材料成本方面大約只是銀的十分之一，成本節(jié)省空間十分巨大，但事實上并沒有想象中的那么簡單。因此，截至2024年，尚未在電動汽車功率電子產(chǎn)品中大規(guī)模采用銅燒結(jié)技術(shù)。

銅燒結(jié)技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)是銅材料的易氧化性，這可能影響鍵合效果和長期可靠性。此外，銅燒結(jié)的工藝復(fù)雜性也是一個挑戰(zhàn)。雖然，從長遠(yuǎn)來看銅有可能提供更低的成本，但其目前還處于開發(fā)的早期階段，銅燒結(jié)漿料的成本與銀燒結(jié)漿料相似，甚至更高。作為一種替代方案，銅燒結(jié)技術(shù)的成本效益和技術(shù)潛力正逐漸受到業(yè)界關(guān)注。

與銀燒結(jié)相比，銅燒結(jié)在理論上具有更低的成本，這使得它在成本敏感型應(yīng)用中具有吸引力。盡管目前銅燒結(jié)技術(shù)在電動汽車行業(yè)的應(yīng)用尚不普遍，但一些領(lǐng)先的汽車制造商，如大眾汽車，已經(jīng)在探索這一技術(shù)的潛力。

IDTechEx的分析表明，銅燒結(jié)技術(shù)可能在2024年底或2025年初至中期開始在電動汽車行業(yè)開始采用。這一趨勢將取決于銅燒結(jié)技術(shù)的成熟度、成本優(yōu)勢以及市場對高性能、高可靠性電動汽車功率電子的需求。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和優(yōu)化，銅燒結(jié)技術(shù)有潛力成為電動汽車行業(yè)中的重要材料選擇。

寫在最后

在電動汽車功率電子領(lǐng)域，管芯連接技術(shù)的創(chuàng)新對于實現(xiàn)有效的熱管理至關(guān)重要。然而，汽車行業(yè)的成本敏感性意味著銀和銅燒結(jié)技術(shù)的采用率受到成本影響較大。目前，特斯拉、現(xiàn)代、大眾和比亞迪等領(lǐng)先汽車制造商已開始采用銀燒結(jié)技術(shù)。

銅燒結(jié)技術(shù)雖有進(jìn)步，但其商業(yè)化進(jìn)程尚在初步階段。IDTechEx預(yù)計，到2034年，銀燒結(jié)有望占據(jù)約一半的市場份額，盡管傳統(tǒng)焊料合金仍將被廣泛使用。此外，除了管芯連接技術(shù)外，雙面冷卻等其他冷卻解決方案也將被采用以提高整體性能。