功率模块 Die-Attach — 银烧结(Ag Sinter)vs 扩散焊(TLPS)vs 焊料:SiC 200℃ 时代的芯片连接命门

先进封装L1别名银烧结 · silver sinter · Ag sinter · die-attach · 芯片贴装 · 扩散焊 · diffusion soldering · TLPS · 瞬态液相烧结 · sinter die attach

本质与导读

本质 Die-attach 是把功率芯片粘到 DBC 上的那 20-50 µm 薄层,热、电、应力都在此集中,决定整个模块的寿命与最高结温。命门在熔点:SiC 想跑到 200℃+ 时,SnAgCu 焊料(熔点仅 217℃)先崩溃,于是转向银烧结、扩散焊/TLPS 这类"成形温度低、服役温度高"的路线——选材本质是在熔点、热导与冷热循环寿命之间换可靠性。

主线坐标:第 5 站 · 逆变器(栅驱 + 功率模块) · ↑ 全景主线

1. die-attach 是什么,为什么它是命门

要理解后面所有的材料之争,先得明白 die-attach 在模块里扮演的角色。die-attach 指芯片(die,裸晶粒)背面与 DBC 基板上铜面之间那一层连接材料——传统上是一层 50 µm 左右的焊料。它不像键合线只走电流,也不像 TIM 只走热,而是同时承担三件事:把芯片损耗产生的热往下导(热路径),把背面电极电流灌进基板(电路径),以及在芯片(SiC,CTE≈4 ppm/K)和铜面(CTE≈17 ppm/K)之间承受热膨胀失配产生的剪切应力(应力集中点)。一层东西要同时当导热体、导电体和缓冲垫,任何一项性能不达标都会让整个模块"卡在"这一层。

die-attach 在模块层叠中的位置 + 它同时是热/电/应力三条路径的交汇点

正因为三重身份,die-attach 也是模块里最容易先坏的两个焊层之一(另一个是基板-底板焊层)。功率芯片每开关一次就发热、每停一次就冷却,芯片下方这层材料反复被"拉伸-压缩",这就是功率循环(power cycling,PC)——结温摆幅 $Δ T j$ 驱动的疲劳。环境温度的慢变化(开机/停机/季节)则带来热循环(thermal cycling,TC)——壳温摆幅 $Δ T c$ 驱动。两者都让连接层里萌生裂纹、剥离,热阻一路爬升,直到芯片过热烧毁。所以 die-attach 选材,本质是在问:这一层能扛多少次冷热循环,以及它能让芯片热到多少度还不软化。

1.1 一个常被忽略的事实:热阻会随寿命增长

die-attach 的危害不是"突然断裂",而是热阻的缓慢漂移。裂纹从连接层边缘萌生、向中心扩展,有效导热面积逐年缩小, $Rt h, j c$ (结到壳热阻)随之上升。 $Rt h$ 升高又抬高 $T j$ , $T j$ 升高又加速疲劳——这是一个正反馈失效环:

Δ T j ↑ \Rightarrow 疲劳裂纹 ↑ \Rightarrow Rt h, j c ↑ \Rightarrow T j ↑ \Rightarrow Δ T j ↑

车规通常以 $Rt h, j c$ 上升 20% 作为失效判据。要打破这个环,要么降低 $Δ T j$ (系统层面,靠散热),要么换一层"裂纹萌生慢、扩展慢"的连接材料(器件层面,靠 die-attach 工艺)——本页讲的就是后者。

2. 硬约束:为什么 SiC 一上高温,焊料就先崩

SiC(碳化硅)相对 Si 的核心价值,是能在 175-225℃ 高结温下稳定工作,从而把同样面积的芯片做出更高功率密度、更小体积。但这个价值有个前提:芯片下面那层连接材料也得扛得住这个温度。偏偏车规主流焊料 SnAgCu(SAC305,锡-银-铜合金,die-attach 里最常见)的熔点只有约 217℃,芯片想跑 200℃ 时,焊层离自己的熔点只剩十几度——这是第一个硬约束。

三条路线的熔点 vs 服役温度 + SAC 焊料的同系温度崩溃区

更要命的是第二个机制:同系温度(homologous temperature)。金属的蠕变(creep,材料在持续应力下缓慢变形)和疲劳行为不看绝对温度,而看 $T ser v i ce / T m e lt$ (都用开尔文)。焊料在 200℃ 时, $T h = (200 + 273) / (217 + 273) \approx 0.97$ ——已经逼近熔点,几乎处于"半软化"状态,蠕变速率呈指数级飙升,任何一点 $Δ T j$ 摆动都会被快速"棘轮"成永久变形和裂纹。这就是为什么焊料不是在 217℃ 才坏,而是在 150℃ 以上寿命就开始断崖式下跌。

2.1 三条路线如何各自绕开这个约束

面对"成形要低温(否则烧坏芯片)、服役要高温(否则白用 SiC)"这对矛盾,三条技术路线给出了完全不同的答案,关键都在于让最终连接层的熔点远高于成形温度:

路线	成形机理(一句话)	成形温度	最终连接层熔点	200℃ 时的同系温度
焊料 SAC305	加热到熔点以上,熔融再凝固	~250℃(回流峰值)	~217℃	~0.97(致命)
扩散焊 / TLPS	低熔点 Sn 熔化后与 Cu 反应生成高熔点金属间化合物	~250-300℃	Cu6Sn5 415℃ / Cu3Sn 676℃	~0.50-0.69(约 0.5-0.7,安全)
银烧结 Ag sinter	纳米/微米银颗粒在远低于熔点下原子扩散"长"在一起	~200-250℃	961℃(纯银)	~0.38(极安全)

这张表是全页的逻辑枢纽:焊料的成形温度和服役熔点几乎重叠(都在 217-250℃),所以注定在高温崩溃;而扩散焊靠化学反应"换了一种更耐热的物质",银烧结靠物理扩散"成形不熔化",两者都实现了成形温度低、服役熔点高的反常组合。后面两节分别拆开讲这两条赢家路线。

3. 银烧结:多孔银为何能反常地又低温成形又耐高温

银烧结(silver sintering / Ag sinter)是目前车规 SiC 主驱模块 die-attach 的事实标准。它的反常之处在于:纯银熔点高达 961℃,却能在 200-250℃ 下成形。理解这一点,要回到烧结(sintering)的定义——烧结是固态颗粒在远低于熔点的温度下,靠原子扩散在接触面"颈缩长合"成块体的过程,全程不熔化。陶瓷、粉末冶金件都是这么做出来的,银烧结把同样的原理用到了 die-attach 上。

银烧结成形机理 — 微米银颗粒颈缩长合 + 留下多孔结构 + 有压/无压两条工艺线

银膏(sinter paste)里是被有机溶剂包裹的微米/纳米银颗粒(Heraeus mAgic PE360 含 87% 银、颗粒 ≤25 µm)。工艺分两步:先烘干(drying,120-140℃)赶走溶剂,再烧结(sintering,≥200℃)让裸露的银颗粒在接触点相互扩散、颈缩、长合。因为颗粒尺寸小、表面能高,这个扩散在 200℃ 量级就能快速进行(纯银在 Ag 镀层表面 5 分钟内即可烧成,见 PE360 factsheet)。成形后得到的是多孔纯银块——熔点仍是 961℃,从此服役温度想多高有多高。

3.1 性能为何全面碾压焊料

成形机理决定了银烧结的性能优势是结构性的、而非微调:

指标	SAC305 焊料	Ag 烧结(多孔银)	因果
熔点 / 服役上限	217℃ / ≤150℃	961℃ / ≥200℃	不熔化成形,服役温度脱离熔点约束
热导率	~59 W/mK	>150,致密可达约 200-230 W/mK	银本征热导高,且无低导热金属间化合物
$Rt h, j c$ 相对值	基准	降低约 20-30%	层更薄 + 热导高 + 空洞少
功率循环寿命	基准	提升 5-10 倍	同系温度低,蠕变疲劳大幅放缓
层厚	50-100 µm	20-50 µm	银膏可印薄

热导提升是这里的核心收益:多孔银即便有 10-20% 孔隙,热导仍 >150 W/mK,是焊料的近 3 倍;若高压烧成接近致密,可达约 200-230 W/mK。配合更薄的层厚, $Rt h, j c$ 可降 20-30%——这正是 Infineon 报告 .XT 改善结到壳热阻最多 25%、散热能力最多 30% 的物理来源(虽然 .XT 芯片连接用的是扩散焊,但热阻收益机理同源:更薄、更致密、无低导热相)。

3.2 孔隙率:既是优点又是隐患的双刃剑

银烧结层不是致密的银,而是多孔银(porosity 典型 5-20%)。孔隙率是烧结 die-attach 最关键的微观参数,它的影响是双向的,必须辩证看:

孔隙是优点:适度孔隙让连接层更"软"(等效杨氏模量降低),能更好地缓冲 SiC 与 Cu 之间的 CTE 失配应力,反而有利于热循环——这点和"越致密越好"的直觉相反。
孔隙是隐患:孔隙率过高会降低热导(空气是热的绝缘体)、降低剪切强度,且孔隙是裂纹萌生的天然起点。研究显示增加烧结层厚度可降低累积粘塑性应变、提升 SiC 模块疲劳寿命,但前提是孔隙分布均匀。

所以工艺目标不是"零孔隙",而是把孔隙率控制在一个窗口内(常见目标 <15%)并保证分布均匀。而控制孔隙率最直接的旋钮,就是烧结压力——这把我们引向下一节有压 vs 无压之争。

4. 有压 vs 无压 + 扩散焊:三条工艺路线的取舍

把孔隙率压下去最有效的手段是加压,这就分出了**有压烧结(pressure sintering)和无压烧结(pressureless sintering)两条路线;而 Infineon 主推的扩散焊(diffusion soldering / TLPS)**则是另辟蹊径的第三条。这三者的取舍,本质是在"可靠性 / 设备成本 / 产能"之间选边站。

4.1 有压 vs 无压烧结

有压烧结在烧结时对芯片施加 10-40 MPa 的压力(Heraeus PE360 要求 ≥10 MPa),把银颗粒压实,得到低孔隙、高热导、高强度的连接层。代价是需要专用压力烧结设备 + 缓冲层保护脆性 SiC 芯片,且压头一次压一颗或一小批,产能受限。无压烧结(如 Heraeus DA295A,200℃ 即可)靠纳米银的高表面能自行致密化,不加压、可走标准回流/隧道炉,产能高、对芯片友好,但孔隙率偏高、热导和强度略逊。

维度	有压烧结(Pressure)	无压烧结(Pressureless)
烧结压力	10-40 MPa	0(仅靠表面能 + 轻放置)
孔隙率	低(<10%)	偏高(15-25%)
热导 / 强度	高(可达 200+ W/mK,剪切 ~70 MPa)	中等
设备 / 产能	专用压机,产能受限,成本高	标准炉,产能高,芯片友好
典型对象	大芯片、大功率 SiC 主驱、双面冷却	中小芯片、lead frame、分立器件

实际选择看芯片大小和功率:大尺寸 SiC 主驱芯片用有压(应力大、要低孔隙保可靠性);中小芯片和分立器件用无压(产能优先)。Heraeus PE360 factsheet 给出的 220 mm² 样件在 200℃ / 10 MPa / 5 分钟下剪切强度约 70 MPa,并通过 -50℃ 至 +150℃ 共 500 次热循环测试——这是有压路线的典型可靠性基线。

4.2 扩散焊 / TLPS:Infineon 的另一条路

扩散焊(diffusion soldering),学术上叫瞬态液相烧结 TLPS(Transient Liquid Phase Sintering)或固液互扩散 SLID,是 Infineon .XT 技术里的芯片连接方案。它的巧思在于用化学反应把焊料"变成"高熔点物质:在芯片背面和铜面之间放一薄层低熔点金属(如 Sn),加热到约 250-300℃ 让 Sn 短暂熔化、润湿,随后 Cu 原子溶入液态 Sn 并反应,生成熔点 415℃ 的 Cu6Sn5 和熔点 676℃ 的 Cu3Sn 金属间化合物(IMC)。一旦反应完成,连接层就由这些高熔点 IMC 构成,即使后续服役温度远高于成形时的 Sn 熔点也不会再熔——这就是"瞬态液相":液相只在成形瞬间存在,之后消失。

TLPS 的优势是成形温度和压力都低(可近无压)、对设备友好、且连接层很薄;同系温度也降到 ~0.50-0.69(约 0.5-0.7)的安全区,200℃ 老化 1000 小时后剪切强度仍 >19 MPa。Infineon 报告 .XT 把 SiC 芯片连接做扩散焊后,结到壳热阻最多降 25%、散热能力升 30%、工作温度可降 15 K;配合 Cu 键合线和强化系统焊料,低压模块的循环承受能力可达标准工艺的 40 倍(在结温高 25K 条件下)。它的短板是反应需要充足的 Sn/Cu 比例和时间,残余未反应 Sn 或 Cu6Sn5 在长期高温下会继续转变并可能生成空洞,工艺窗口需要精细控制。

4.3 三条路线一句话定位

把三条路线放回工程现实:焊料是低温、低成本、成熟的老路,适合 $T j \leq 150℃$ 的 Si IGBT;银烧结是 SiC 主驱的高可靠性事实标准,热导和寿命最优但设备和银价是负担;扩散焊/TLPS是 Infineon 用来兼顾低成本设备与高温可靠性的折中,介于两者之间。三者并非互斥——一个模块可以芯片连接用烧结/扩散焊、基板-底板连接用强化焊料,分层取最优。

5. 量产现实:成本、表面金属化与下一步 Cu 烧结

技术上银烧结全面占优,但能不能大规模上车,卡在三个现实约束上。第一是成本:银是贵金属,烧结银膏单价远高于焊膏,加上有压设备投资,使银烧结目前主要用在高价值的 SiC 主驱。第二是表面金属化匹配:银烧结需要被连接的两面都有可烧结金属层,银膏在 Ag 镀面上烧得最快最好,Au 次之,Cu 面则需更高温度/压力且易氧化(PE360 明确"Cu 面需更高参数")——芯片背面和 DBC 铜面往往要先镀银,又增一道成本。第三是银迁移与翘曲:大芯片烧结后因 CTE 失配易翘曲,长期高湿高压下银还可能发生电化学迁移(electrochemical migration / ECM)形成短路风险。

针对这些,产业的下一步是铜烧结(Cu sinter):用铜颗粒替代银,成本大幅下降、无银迁移问题、热导也高。难点是铜极易氧化,烧结必须在还原性气氛(如甲酸或 N2/H2)下进行,工艺更苛刻。目前 Cu 烧结正在从高端向中端渗透,是银烧结之后的明确演进方向。

5.1 选型速查

把全页压缩成一张工程选型表,按结温上限切分:

场景	$T j$ 上限	推荐 die-attach	理由
Si IGBT 工业/低端车	≤150℃	SAC305 焊料	成本最低,温度够用
SiC 中小功率 / 分立	~175℃	无压银烧结	产能优先,可靠性已够
SiC 主驱 / 双面冷却	200℃+	有压银烧结	低孔隙、最高热导与寿命
高可靠 + 控设备成本	200℃+	扩散焊 / TLPS(.XT)	近无压、高温稳定、循环 40×
下一代降本	200℃+	Cu 烧结	去银价、无银迁移(需还原气氛)

缩写表

缩写	全称	通俗解释
die-attach	Die Attach	芯片背面到基板的连接层(粘芯片那一层)
die	Die / Chip	裸晶粒,未封装的功率芯片
sinter	Sintering	烧结:固态颗粒在远低于熔点下靠扩散长合成块
Ag sinter	Silver Sintering	银烧结,用银颗粒做 die-attach
TLPS	Transient Liquid Phase Sintering	瞬态液相烧结:低熔点金属瞬时熔化后反应成高熔点化合物
SLID	Solid-Liquid Inter-Diffusion	固液互扩散,TLPS 的同义机理表述
IMC	Intermetallic Compound	金属间化合物(如 Cu6Sn5 / Cu3Sn)
SAC305	Sn-Ag-Cu (96.5/3/0.5)	车规主流无铅焊料
CTE	Coefficient of Thermal Expansion	热膨胀系数(温度每升 1℃ 的伸长率)
PC	Power Cycling	功率循环:芯片自身发热引起的 $Δ T j$ 疲劳
TC / TCT	Thermal Cycling (Test)	热循环:环境温度变化引起的 $Δ T c$ 疲劳
porosity	Porosity	孔隙率,烧结层中空隙占体积比
$Rt h, j c$	Junction-to-Case Thermal Resistance	结到壳热阻
$T j$	Junction Temperature	结温(芯片内部温度)
DBC	Direct Bonded Copper	覆铜陶瓷基板
同系温度	Homologous Temperature	$T ser v i ce / T m e lt$ (开尔文),判蠕变倾向
Cu sinter	Copper Sintering	铜烧结,银烧结的降本演进方向

核心要点

die-attach 是芯片背面到基板的薄连接层,同时是热路径、电路径和 CTE 应力集中点,也是模块最先疲劳失效的两层之一。
失效是 $Rt h, j c$ 缓慢上升的正反馈环,而非突然断裂;车规以 $Rt h$ 升 20% 为判据。
焊料的命门是同系温度:SAC305 熔点 217℃,SiC 想跑 200℃ 时 $T h \approx 0.97$ ,蠕变疲劳指数级恶化,150℃ 以上寿命断崖。
银烧结的反常优势=烧结不熔化:200℃ 低温成形,服役熔点却是纯银 961℃,热导 >150(致密约 200-230)W/mK, $Rt h, j c$ 降 20-30%,寿命提升 5-10 倍。
孔隙率是双刃剑:适度孔隙软化连接层、缓冲 CTE 利于热循环;过高则降热导、降强度、引裂纹。目标是控窗口(<15%)而非零孔隙。
有压烧结(≥10 MPa)低孔隙高可靠但设备贵产能低,用于大芯片;无压烧结产能高芯片友好,用于中小芯片。
扩散焊/TLPS 用 Sn 瞬态熔化反应生成 Cu6Sn5(415℃)/Cu3Sn(676℃)IMC,成形低温、服役高温,是 Infineon .XT 的方案,循环承受可达标准 40×(在结温高 25K 条件下)。
量产三大障碍:银价成本、表面金属化匹配(需镀 Ag,Cu 面难烧)、银迁移与翘曲;下一步是需还原气氛的铜烧结降本。

Engineering Objects

die_attach_layer(芯片到基板连接层;材料∈{SAC305, Ag_sinter, TLPS_CuSn};属性:厚度 µm / 热导 W·m⁻¹·K⁻¹ / 孔隙率 % / 熔点 ℃)
sinter_process_window(温度 ℃ / 压力 MPa / 时间 min / 气氛 air|N2|formic;约束:T≥200, P∈{0, 10-40})
power_cycling_lifetime(NCC 循环次数 @ ΔTj;失效判据 Rth_jc +20%)
homologous_temperature(T_service/Tmelt @ K;阈值 >0.8 视为高蠕变风险)

Cross-references

← 索引
功率模块封装 — 本页是其 §3.3「烧结式」的展开;封装页讲三大结构派别全景,本页专攻 die-attach 连接层之争
功率模块热设计 — die-attach 是 Tj 链中 $Rt h, j c$ 的关键一段;烧结降 $Rt h$ 的系统收益在该页热网络里量化
SiC 器件 — SiC 的高 $T j$ 价值是银烧结需求的源头;两页互为因果
SiC 功率模块 datasheet — datasheet 上的 $Rt h, j c$ 与功率循环曲线就是本页 die-attach 选材的结果读数
冷却系统 — 系统侧降 $Δ T j$ 与器件侧换 die-attach 是打破失效正反馈环的两条互补路径

来源:Heraeus mAgic PE360 / DA295A / PE338 sinter paste factsheets(Document HET23036ENG, 2025;含 87% Ag、≤25 µm、≥200℃ / ≥10 MPa、Au/Ag/Cu 表面、~70 MPa 剪切 @220 mm²、TCT 500 cycles 数据);Infineon .XT interconnection technology(infineon.com/technology/xt 及 Bodo's Power Systems / eePower 综述:Rth_jc 降 25%、散热升 30%、循环 40×);MDPI Energies 2024,17,4105 综述与 Applied Sciences 2021,11,7012 / 2019,9,157;ScienceDirect 与 Springer JOM 2024 银烧结/TLPS 可靠性论文(熔点 961℃、热导 >150-240 W/mK、Cu6Sn5 415℃ / Cu3Sn 676℃、寿命提升 5-10×)。综合整理。