在传统意义上，硅功率器件如IGBT或MOSFET通过焊接固定在金属陶瓷基板上，使用铝线键合作为互连接技术
，并使用焊膏或导热脂将功率模块连接到底板或散热器。这样的结构如图1(左)所示。

　　随着碳化硅(SIC)宽禁带(WBG)器件在汽车、新能源和工业应用中的快速引入，功率模块封装技术必须发生重大变化
。SiC器件如二极管或MOSFET能够在更高温度下工作，增加功率密度，从而对封装材料施加更大的热机械应力
。图1(右)展示了一种优化后的封装概念
，旨在与WBG半导体结合，实现最高的可靠性和最大效率
。

图1

　　未来的模块配备了Heraeus Die Top System
，支持在芯片顶部进行铜(Cu)线键合，并结合银(Ag)烧结技术将芯片连接到基板上。传统封装中的Al2O3基金属陶瓷基板必须被高导热性的Si3N4基活性金属钎焊(AMB)基板取代
，以提高可靠性和性能(图1，右)。最后
，将模块连接到底板的焊接材料被高可靠性和高导热性的Ag烧结材料取代

。这一过程称为“大面积烧结”
，因为整个模块被烧结到散热器上。

　　图2展示了使用大面积烧结代替焊接带来的热性能改进，从完全焊接的封装概念(左，Tmax = 193°C)变为完全烧结的封装概念(右，Tmax = 171°C)，模拟结果显示芯片温度下降了22°C

。热阻的改进允许使用更小的芯片以实现相同的输出功率
，从而更具成本效益，或者在相同的总体成本下通过相同的半导体传输更多的电流。此外，关于热循环期间接头可靠性的问题也是必须考虑的关键方面之一。

　　大面积烧结对于超出300 mm²的区域仍然是一项相对年轻的技术，使用这种技术的模块在实际应用中还不多。然而，随着乘用车快速电气化和汽车制造商追求最高的可靠性，预计需求将增加。这一趋势对烧结膏制造商如Heraeus和烧结压机供应商如AMX Automatrix提出了新的要求。虽然芯片尺寸限制了芯片附着，但大面积烧结的区域显著更大——在>2,500 mm²范围内
，取决于模块的大小。多种概念已出现，如将模块置于湿膏或干膏中的湿布置和干布置，多种膏体应用方法如模板印刷或分配，各有其特定的优缺点。因此

，必须为每个封装仔细选择合适的膏体、应用方法和烧结技术
。

图2

　　Heraeus大面积烧结膏的变种

　　Heraeus针对大面积烧结的趋势开发了两种Ag压力烧结膏
，PE360P和PE360D，如图3所示。本节重点介绍PE360P的接头性能;分配性能的结果预计相同
，将在其他地方讨论。

　　PE360P设计用于模板或丝网印刷等印刷应用
，确保在印刷机上有超过8小时的可加工性
。PE360P被设计用于将40 × 40 mm²到100 × 100 mm²范围内的模塑封装或裸基板放置在预干燥的膏体上。对于这种尺寸，干布置过程是有利的
，因为膏体的干燥过程是在没有覆盖模块或底板的情况下完成的，这确保了在实际烧结过程之前有效蒸发溶剂和添加剂。然而，模块和底板的翘曲影响是干布置过程的一个缺点

，需要解决。图4显示了干布置和湿布置的流程。

图3

　　图5展示了PE360P膏体性能的一个例子。带银表面的AMB基板被烧结到由铜制成的平底板上。底板用于烧结时，表面可以是裸铜表面或镀银。烧结在AMX P101设备上进行，压力为20 MPa
，温度为250°C，时间为5分钟

，环境为氮气。烧结前膏体完全干燥
。相应的超声波扫描显示了优良的连接

，几乎没有可见的空隙，表明基板和散热器之间的热和机械连接是最佳的。

图4

图5

　　此外
，烧结接头的可靠性经过了温度循环测试(TCT)。为此，带有0.3 mm铜厚度的镀银AMB基板被烧结到镀银铜芯底板上(P360P膏体
，烧结温度230°C，烧结时间5分钟，压力12 MPa)
。经过1000次循环和2000次循环的热冲击后，通过超声波扫描检查分层区域。图6展示了结果图片。经过1000次热循环后，使用大面积烧结几乎没有看到分层现象。仅在测试样品的角落检测到少量缺陷
，这些位置发生的应力水平最高。分层主要位于连接的底板一侧。经过2000次TCT，几乎没有变化
，证明了烧结接头的优良可靠性
。

　　P201X HS大面积设备

　　应对来自汽车行业和一级供应商的显著需求，AMX扩展了其现有设备组合，专门针对大面积烧结应用打造了专用机械
，以满足迫切需求。

　　在此计划中
，烧结面积显著增加
，研发单元(X-Sinter P55)的尺寸达到300 × 300 mm。同时，量产设备(X-Sinter P201X)经过改进，以满足散热器压力烧结应用的需求，最终推出了X-Sinter P201X HS型号。

图7

　　这些改进的主要目的是优化生产批处理过程，同时保持高生产率，VDI 3423标准超过99%。这些设备的设计旨在无缝集成到全自动工作流程中。在软件方面，这些设备适应Industry 4.0网络，可兼容SecsGem
、OPCUA、OPCON或其他先进的MES平台
。

　　此外，通过集成预热系统提高了工艺周期时间，确保在烧结后通过冷却板保持散热器的高温。还提供了可选的全氮气柜，以防止母线氧化。这一综合方法突显了AMX在符合行业需求方面推动技术能力提升的承诺。

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