田中的混合银胶粘剂重新定义了SiC/GaN功率模块的可靠性

田中贵金属科技株式会社银胶全球研发高级经理安倍晋太郎解释了实现高温无压模具连接的材料突破。

随着宽禁带（WBG）半导体加速进入主流电力电子领域，封装可靠性已成为最关键的限制因素之一。对于工作在200°C以上的SiC MOSFET和GaN HEMTs，芯片连接层面临极端的热、机械和化学应力——这些条件远超传统焊锡或环氧胶所能承受的范围。

田中公司回应了这一创新，推出了混合银胶粘剂，该胶体设计具有高导热率、200°C以上的强结合力、无压力加工及长期耐疲劳性。

田中高级研发经理阿部慎太郎表示，这一创新源于同时解决两个挑战：实现银在树脂环境中烧结，以及控制烧结网络中的树脂分布。“我们制造了用树脂烧结的银填充剂——这通常是不可能的，”阿部说。

安倍解释说，第一个重大突破是允许银颗粒在树脂存在下烧结，而树脂通常阻止烧结：“树脂内部烧结通常很难，因为树脂阻碍了烧结过程，”阿部说。通过精确控制树脂的热行为及其与银颗粒的相互作用，我们使银填充剂在加工过程中能够在树脂内烧结。”

第二个突破是微观结构的工程设计：“我们成功控制了烧结银结构中树脂的分布，”安倍说。树脂并非均匀分散，而是选择性地作为银烧结网络中的基体分布。”

田中仅将树脂放置在需要的位置，创造了一个在显著降低弹性模量的同时保持高热导率的复合系统。“这两项创新同时实现，使我们能够保持高热导率，并增强机械灵活性以实现长期可靠性。传统树脂基胶水在温度超过200°C时会失去大部分粘结强度——因此我们不得不结合粘附和烧结，“阿部解释道。

高温可靠性是宽禁带功率模块面临的一大挑战。传统银胶水高度依赖氢键，氢键在高温下会塌陷。安倍解释了失效机制：“在高温——超过200摄氏度——依赖氢键的粘合系统效果不佳。这意味着剪切强度会降低。”

为此，田中将烧结银技术与银粘附化学结合结合。“我们结合了烧结技术和粘附技术。这使得即使在超过200ºC的温度下也能保持良好的粘结强度，同时树脂在热循环过程中分散应力。”

最终材料形成稳定结构，能减少热机械疲劳，尤其是在铜基和陶瓷基动力基板中。

空隙控制

空隙会降低导电性和可靠性，尤其是在高功率模块中。安倍描述他们的战略：“我们首先提高银填充剂的填充密度。各种不同尺寸和形状的银颗粒被填充以提高密度。”烧结后，树脂熔化并渗透到微空隙空间，形成更致密、更稳定的结构，“安倍说。这减少了氧气和水分的进入。安倍指出：“减少空隙可以防止氧气和水分进入，进而导致长期劣化。”

无压烧结

一个关键优势是兼容标准芯片连接工作流程。“压力辅助烧结需要专用设备。我们的混合烧结技术支持利用现有的加热系统如批量烤箱实现无压力加工，“阿贝说。“这让客户更容易适应材料，而无需对生产线做出重大改动。”

同样的导热膏仍可用于压力辅助系统，以满足希望最大化密度的客户需求。

图1展示了田中银模具附着产品线，中心采用了新的混合烧结工艺。图2展示了混合烧结工艺与其他工艺和材料的比较。

图1

图2

基底兼容性

裸铜因其薄且反应性氧化层较薄，是最具挑战性的结合表面之一。“最难结合的是裸铜，所以我们专注于它，”阿部说“我们的工艺与裸铜高度兼容。它也兼容银质或金色金属表面。”

杂交膏需要精确控制银颗粒的扩散和树脂-银的相互作用。Abe指出：“材料的性能高度依赖于成分的混合方式和加工顺序。”图3展示了裸铜优化的推荐固化曲线，该铜也适用于银和金表面。对于银和金，在较低温度（约200°C）下可以实现可靠的键合。

图3

幸运的是，田中的工业设施已有完善的基础设施：“我们的生产设施在生产各种导弹材料方面拥有丰富经验。这使我们能够顺利从原型转向大规模生产，无需大量设备投资。”

除了技术性能，田中还整合了循环材料供应链。公司制定了环保且可持续的做法，通过专注于从工业废料中回收和提炼贵金属，减少环境影响，实现贵金属的可持续高效利用。除了环境效益外，循环采购在确保贵重材料的稳定获取方面也发挥着战略作用。对于生产量有限且需要强大采购能力的材料，回收有助于加强供应安全，同时有助于减少碳排放，支持更可持续的生产。该方法的关键特点是产品由回收贵金属提炼而成，并采用集团多年开发的先进回收技术和贵金属分析技术进行优化。此外，应客户需求，我们能够提供100%回收贵金属制成的产品和解决方案，支持可持续发展。“循环经济和可持续材料供应对我们的客户非常重要。我们的回收系统和采购能力是关键优势，“安倍说。这种混合膏完全无铅且无PFAS。

此外，田中还为贵金属的一切提供“一站式服务”，从金条供应到工艺制造、销售和回收。

未来方向

随着包装技术向更薄的模具和更先进的多层结构发展，田中正在准备下一代胶粘剂。安倍概述了路线图：“一些客户目标是模具厚度低于50微米。浆料材料将面临克服溢出或模具表面污染的关键挑战。”

为此，田中正在优化银含量，同时保持热性能和机械性能。“我们正在与客户及欧洲机构合作，开发下一代包装。”

材料和加工成本的降低也是关键主题：“下一代需求非常复杂，因此我们必须认真跟随趋势，同时从材料和工艺两方面降低成本，”安倍说。

田中的混合银胶粘剂不仅仅是一种新的粘合材料——它代表了行业对热性能与机械韧性长期权衡方式的转变。通过在树脂框架内实现烧结、优化颗粒包装并支持无压加工，该材料直接符合进入大批量市场的SiC/GaN功率模块需求。

正如Abe所说：“我们的混合烧结胶与下一代电力电子的需求高度契合，长期可靠性和热效率至关重要。我们将继续致力于通过应用数十年积累的丰富材料专业知识，为半导体创新做出贡献。”