电动汽车功率电子产品需要怎样的管芯连接技术

在汽车行业变革的创新浪潮中，800V高压平台的崛起正在引领一场技术革命。在更高电压下运行可有效减少焦耳损耗，实现高压电缆的小型化，从而显著提高能源效率并减轻车辆重量，为电动汽车的续航里程和性能提升提供了有力支持。

作为SiC MOSFET领域的领军企业，英飞凌、安森美和意法半导体通过持续的技术创新，凭借卓越的技术实力和市场影响力，推动了SiC MOSFET技术在汽车中的广泛应用。现在，包括通用汽车、现代汽车、大众汽车、比亚迪和Lucid Motors在内的汽车制造商都在推动800V平台上车。

汽车制造商和Tier1与功率模块供应商建立紧密合作关系，不仅确保了供应链的稳定性，也加速了SiC MOSFET技术在汽车领域的渗透。

在IDTechEx高级技术分析师Yulin Wang看来，电动汽车功率电子从硅IGBT向SiC MOSFET的转变得益于新技术和材料的应用，特别是结合了创新的热管理技术，如双面冷却（DSC）和先进的银烧结管芯连接，以及高性能热界面材料（TIM）的使用，这些都显著提升了器件的热管理能力。

事实上，随着车用功率电子技术的发展，结温预期将从150℃升高至175℃，甚至可能超过200℃，对热管理提出了更高的要求。管芯和基板连接材料对于有效的热管理至关重要。现在，一些领先的汽车制造商从传统的焊料合金转向银烧结技术，以实现更有效的热传导。

IDTechEx在其报告《2024-2034年电动汽车功率电子的热管理：预测、技术、市场和趋势》中，总结了管芯和基板连接技术的重要进展，并给出了商业应用路线图。

管芯连接材料的挑战

从某种意义上讲，电动汽车功率电子的核心是半导体封装，其中管芯和基板连接材料扮演着至关重要的角色。这些材料不仅要确保电流的顺畅传输，还要承受极端的温度变化和机械应力，因此材料选择和设计对整个系统的性能和可靠性有着直接的影响。

传统的管芯连接材料是焊料合金，如SnPb（锡铅合金）和SAC（锡银铜合金），典型热导率约为50W/mK，熔化温度约为200℃。因其良好的热导率和金属间化合物形成能力，被广泛用于焊接过程。这些合金在焊接时能形成低电阻的连接，同时保持较低的界面热阻，有利于热量的快速传递。这有助于保持低封装应力和处理温度，同时还能在机械上固定散热器。

随着技术的进步，新型的管芯连接材料，如基于银的烧结材料，开始展现出更高的热导率和更好的热稳定性。通过物理烧结过程，这些材料可以实现金属之间的牢固连接，同时提供更低的热阻路径，有助于提高封装的热管理效率。

在选择管芯连接材料时，必须考虑被连接材料（如芯片、管芯、基板等）的热膨胀系数（CTE）匹配程度。CTE的不匹配可能导致在温度变化过程中出现热机械应变，从而引发封装材料的疲劳和断裂。因此，材料的热膨胀特性是评估其长期可靠性的关键指标之一。

此外，管芯连接材料还应具备良好的电气绝缘性能和化学稳定性，以确保在恶劣的工作环境下也能保持稳定的电气性能。同时，材料应易于加工成型，以适应不同形状和尺寸的封装需求。

银烧结正在兴起

随着电动汽车技术的飞速发展，对功率电子器件的要求也日益严苛，尤其是在高温环境下的性能表现。在这种背景下，银烧结技术作为一种新兴的管芯连接解决方案，正逐渐受到业界的青睐。

银烧结技术因其卓越的热传导性能和较高的熔点而脱颖而出。其热导率高达200-300W/mK，远超传统焊料合金，使其在热管理方面具有显著优势。同时，银烧结材料的CTE接近铜（17.5），有助于减少因温度变化引起的热应力，从而提高封装的可靠性；银烧结具有块体材料的高熔融温度；烧结多孔银键合线可提供高导热性（200-300W/mK），同时保持薄键合线（20-30μm，甚至10μm），有效降低了整体热阻。这方面的例子是特斯拉、大众和比亚迪等，由于结温升高，他们已经从焊料合金过渡到银烧结技术。

尽管银烧结技术具有诸多优点，但它也面临着一些挑战。其中，保证高剪切强度是一项重要任务。早期的银烧结在银金属化表面上表现最佳，而在许多使用铜作为金属化层的直接键合铜（DBC）基板上兼容性不足。随着烧结工艺的改进和配方的优化，这一问题已得到有效解决。

此外，银烧结过程中的烧结时间较长，即使在施加压力的情况下也会增加生产周期。近年来，利用纳米油墨和干膜转移技术已成功缩短了烧结时间（2-5分钟），而且只需要温和的压力（低于30MPa），更适合与超薄管芯一起使用，这使得银烧结技术更适用于大规模生产。

成本是银烧结技术普及的另一个关键因素。由于银材料的价格较高，银烧结技术的成本通常高于传统焊料合金。不过，随着生产规模的扩大和工艺的成熟，银烧结技术的成本有望逐步降低。此外，对于追求高性能和高可靠性的汽车制造商而言，在中高端汽车中采用银烧结技术的额外成本（材料成本约为2美元/克）是可以接受的。

银烧结技术虽然在成本上高于传统焊料合金，但其卓越的性能优势使其在高端电动汽车市场中具有竞争力。尽管成本可能是传统焊料合金的五倍，但领先汽车制造商的大规模生产和议价能力有助于降低成本。

此外，银烧结技术在热管理和可靠性方面的优势，使其成为高性能应用的理想选择。相比之下，铜烧结管芯连接技术的理论成本较低，但截至2024年，其在商业领域的应用尚不普遍。

铜烧结渐行渐近

与银烧结非常相似，铜烧结浆料有不同的形式，在不同的气体环境下分为有压力和无压力两种变体。理论上，铜烧结可以缓解银烧结的高成本问题，一家领先的供应商称，铜烧结的成本只有银烧结的一半。铟泰公司负责推广功率半导体材料的产品经理DeanPayne表示，铜的材料成本方面大约只是银的十分之一，成本节省空间十分巨大，但事实上并没有想象中的那么简单。因此，截至2024年，尚未在电动汽车功率电子产品中大规模采用铜烧结技术。

铜烧结技术面临的主要挑战是铜材料的易氧化性，这可能影响键合效果和长期可靠性。此外，铜烧结的工艺复杂性也是一个挑战。虽然，从长远来看铜有可能提供更低的成本，但其目前还处于开发的早期阶段，铜烧结浆料的成本与银烧结浆料相似，甚至更高。作为一种替代方案，铜烧结技术的成本效益和技术潜力正逐渐受到业界关注。

与银烧结相比，铜烧结在理论上具有更低的成本，这使得它在成本敏感型应用中具有吸引力。尽管目前铜烧结技术在电动汽车行业的应用尚不普遍，但一些领先的汽车制造商，如大众汽车，已经在探索这一技术的潜力。

IDTechEx的分析表明，铜烧结技术可能在2024年底或2025年初至中期开始在电动汽车行业开始采用。这一趋势将取决于铜烧结技术的成熟度、成本优势以及市场对高性能、高可靠性电动汽车功率电子的需求。随着技术的不断发展和优化，铜烧结技术有潜力成为电动汽车行业中的重要材料选择。

写在最后

在电动汽车功率电子领域，管芯连接技术的创新对于实现有效的热管理至关重要。然而，汽车行业的成本敏感性意味着银和铜烧结技术的采用率受到成本影响较大。目前，特斯拉、现代、大众和比亚迪等领先汽车制造商已开始采用银烧结技术。

铜烧结技术虽有进步，但其商业化进程尚在初步阶段。IDTechEx预计，到2034年，银烧结有望占据约一半的市场份额，尽管传统焊料合金仍将被广泛使用。此外，除了管芯连接技术外，双面冷却等其他冷却解决方案也将被采用以提高整体性能。