高温电子封装技术在功率模块中的应用：烧结与瞬态液相连接技术的最新进展

本文由Kai Cao（哈尔滨理工大学材料科学与化学工程学院）、Jianhao Wang（Heraeus Electronic Technology, Heraeus Materials Technology Shanghai）等学者合作完成，发表于期刊 *Journal of Materials Science: Materials in Electronics*（2025年，第36卷，第1767页）。论文系统综述了功率模块高温电子封装领域的两项关键技术——烧结（sintering）与瞬态液相连接（Transient Liquid Phase Bonding, TLP）的研究进展，重点探讨了材料设计、工艺优化及性能提升路径。

研究背景与主题

随着电动汽车（EV）对功率模块热稳定性和功率密度需求的提升，传统封装技术（如锡基焊料）因导热性不足、高温可靠性差及环境兼容性等问题面临挑战。宽禁带半导体（Wide-Bandgap, WBG）器件的广泛应用进一步加剧了对高温兼容封装材料的需求。本文聚焦银（Ag）、铜（Cu）、镍（Ni）基烧结材料及TLP合金体系，分析其微观结构调控机制、工艺参数影响及工业应用潜力。

核心观点与论据

1. 烧结材料的设计与性能优化

观点：烧结材料的性能取决于颗粒尺寸、形貌及溶剂选择，多模态（multimodal）颗粒设计可显著提升烧结密度与机械强度。
- 颗粒尺寸：纳米颗粒（如Ag纳米颗粒）可实现低温无压烧结（<300°C），但成本高且易团聚；微米颗粒成本低但孔隙率高；亚微米颗粒（submicron）平衡性能与成本。研究表明，双模态（bimodal）或三模态（trimodal）混合颗粒（如1.5 μm/200 nm Ag@Cu）可将孔隙率从38.5%（单模态）降至5.5%，剪切强度提升至45.1 MPa（Wang et al., 2025）。
- 颗粒形貌：球形颗粒（spherical particles）流动性好但接触面积小；片状（flake）和栗刺状（chestnut-burr-like）颗粒通过增大接触面积提升导热性（如片状Ag颗粒烧结后导热率达278.5 W/m·K）；树枝状（dendritic）颗粒通过分形结构填充孔隙，剪切强度达35.1 MPa（Kim et al., 2025）。
- 溶剂选择：醇类（如α-松油醇）和酮类（如丙酮）溶剂影响浆料流变性和烧结孔隙率。高沸点溶剂（如聚乙二醇）可延缓挥发，减少残余气孔（表1）。

2. 烧结工艺的革新

观点：压力烧结、激光辅助烧结等先进工艺可降低孔隙率并提升界面结合强度。
- 压力烧结：15 MPa压力下Ag纳米颗粒密度提升至7.74 g/cm³，孔隙率降至24%（Zhang et al., 2025）。
- 激光烧结：蓝光激光（3.6 W）可实现Cu纳米颗粒快速致密化，10 μm厚烧结层体积收缩率>50%（Kishida et al., 2025）。
- 超声辅助烧结：20–60 kHz超声波通过空化效应（cavitation）促进颗粒扩散，60 W功率下剪切强度达峰值（Lu et al., 2025）。

3. 瞬态液相连接（TLP）技术的优势与挑战

观点：TLP通过低温连接-高温服役特性，适用于WBG器件封装。
- Cu-Sn体系：Sn熔化后与Cu形成高熔点金属间化合物（IMCs，如Cu₃Sn，676°C），接头热导率达140.2 W/m·K，剪切强度50 MPa（Greve et al., 2025）。
- Ag-In体系：超声辅助TLP可在秒级完成连接，剪切强度达82.9 MPa（Liu et al., 2025）。
- 局限性：Au-In体系成本高，且AuIn₂相脆性大（强度仅8 MPa）。

研究价值与意义

1. 科学价值：阐明了多模态颗粒协同烧结机制及TLP界面反应动力学，为高温封装材料设计提供理论依据。
   
2. 应用价值：Ag-Cu烧结与Cu-Sn TLP技术已应用于SiC功率模块，热阻降低55%（Wang et al., 2025），助力电动汽车与工业电机的高温可靠性。
   
3. 未来方向：开发低成本可持续材料（如Ni基烧结）、优化多工艺集成（如超声-感应加热复合工艺）。
   

亮点总结

• 创新材料设计：提出三模态Ag浆料（纳米-亚微米-微米混合），实现180°C低温烧结与35 MPa高强度。
  
• 工艺突破：激光与超声辅助烧结将工艺时间从分钟级缩短至秒级。
  
• 跨学科融合：结合材料科学（IMCs调控）与工程物理（激光/超声能量耦合），推动封装技术工业化。
  

（注：全文引用的文献及数据均源自原文档，作者与期刊名称保留原文表述。）