铜烧结互连技术在半导体封装中的应用

随着新能源汽车、5G通信、工业电源等领域对高性能功率器件的需求激增，以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体成为行业核心驱动力。然而，传统封装技术在高功率密度、高温环境下的可靠性瓶颈日益凸显，铜烧结互连技术凭借其成本优势、高可靠性和工艺兼容性，正成为新一代半导体封装的关键解决方案。

铜烧结技术的背景与优势

1. 第三代半导体的封装挑战

第三代半导体器件（如SiC MOSFET）的工作温度可超过250°C，甚至达到320°C的极端工况，而传统锡基焊料的熔点不足250°C，且易因高温蠕变失效。此外，银烧结技术虽能耐受高温，但其高成本和电迁移问题限制了大规模应用，且烧结银能够适配的界面结构种类有限，往往要求在基板表面做银、金镀层处理，过度复杂的界面连接结构和表面处理工艺不光会造成成本的上涨，更会带来潜在的界面破坏风险，从而对器件的长期可靠性形成威胁。

2. 铜烧结的核心优势

铜烧结技术通过纳米铜颗粒的低温烧结（180-300°C）实现“低温互连、高温服役”，具有以下优势：

v成本效益：铜材料成本不到银的1/50，尤其适用于大面积互连场景；

v性能匹配：铜的热导率（401 W/m·K）和电导率（5.96×10⁷ S/m）与银接近，且热膨胀系数（17 ppm/K）更接近SiC芯片（4 ppm/K）和陶瓷基板（7 ppm/K），减少热应力；

v可靠性提升：研究表明，铜烧结模块的功率循环寿命比银烧结高30%（如下图），且孔隙率可控制在15%以下，界面稳定性更优。

关键应用领域与产业化进展

1. 新能源汽车电驱系统

在800V高压平台和SiC逆变器的推动下，铜烧结技术成为车规级功率模块的首选方案。例如：

基本半导体：其铜烧结碳化硅模块在热冲击测试中寿命超过银烧结模块30%，功率循环可靠性显著提升，已进入产业化准备阶段；

采埃孚：采用铜烧结的CIPB（Chip Inlay Power Board）技术，功率密度超过120 kW/L，杂散电感降低65%，适配高密度车载逆变器设计。

2. 工业电源与高频器件

铜烧结技术的高导热性（200-300 W/m·K）和低电阻率（<15µΩ·cm）可有效保证散热降低结温、降低功率损耗，适用于工业电源等高压大电流场景和数据中心电源、光伏逆变器等高频场景。

3. 射频与光电子器件

纳米铜膏的无压烧结技术（孔隙率可控）在射频器件和小尺寸芯片封装中展现出潜力，例如GaN射频模块的铜夹（Clip）互连，可减少寄生电感并提升散热效率。

技术挑战与解决方案

1、氧化问题

纳米铜颗粒易氧化，影响烧结质量，一方面整体配方相对银烧结要引入防氧化组分，另一方面可能要在还原性气氛中进行烧结抑制氧化。

2、工艺条件

铜原子本身扩散系数低，烧结难度更高，需要的烧结驱动力更大，烧结温度和烧结时间要求目前整体略高于银烧结。

3、设备与工艺兼容性

现有银烧结设备需通过升级气氛控制系统兼容铜烧结工艺，降低产线改造成本。

结语

铜烧结互连技术正逐步取代银烧结，成为高性能半导体封装的主流方案。其在成本、可靠性和工艺兼容性上的综合优势，将加速第三代半导体在新能源汽车、工业电源等领域的普及。随着材料科学和工艺设备的持续突破，铜烧结技术有望在未来几年内实现全面产业化，推动半导体封装技术迈入新纪元。

参考资料：基本半导体铜烧结技术在碳化硅功率模块中的应用，https://www.eepw.com.cn/article/202407/461128.htm