多种烧结方式以提升功率密度
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在更小的器件尺寸内实现更强大的功能、集成更高的功率，需要充分借助各类适用技术的力量。烧结技术便是其中之一，它作为一种成熟的焊接替代方案，虽然会增加工艺复杂度，却能解决诸多焊接技术难以攻克的难题。
烧结技术在高功率密度电力电子器件的研发与生产中，扮演着至关重要的角色。它能为功率半导体器件（如碳化硅 SiC 或氮化镓 GaN 芯片）与基板、引线框架或散热器之间，提供一种稳固、高导热且可靠性强的连接方式 —— 尤其是在焊接技术已达性能极限的严苛应用场景中（例如，工作温度接近部分焊料熔点的环境）。
1. 表格比较了电力电子应用中烧结和焊接的热和电性能。
这里的烧结通常指在低于熔点温度下，对纳米银或其他金属颗粒进行压力辅助或无压键结合。该工艺通过原子扩散在表面间形成致密的金属键，形成具有高热导率和电导率及优异机械强度的接头。
烧结在高密度电力电子中的作用是什么？
提升导热性能：烧结银的热导率为~200至250 W/m·K，远高于典型焊锡（~50 W/m·K）。这有助于更有效地散热高功率芯片，支持更高的功率密度和更小的外形尺寸。
增强可靠性与结构强度： 烧结接头无空隙且耐裂纹，在热循环和振动下提供更佳的疲劳性能。同样，烧结具有优异的电迁移和耐腐蚀性，非常适合恶劣环境（电动车、航空航天、可再生能源）。
实现高温稳定运行：烧结材料可承受工作温度>250°C，远超无铅焊锡极限。这对于宽带隙半导体如SiC和GaN来说至关重要，因为它们工作在更高的结温下。
2. 烧结和焊接连接的近似工作温度范围。
烧结什么时候是最佳选择？
烧结在以下情况下更为优选：
权衡取舍
费用：烧结（尤其是银）比焊接更贵。
处理复杂度： 可能需要压力、惰性环境或严格的工艺控制。
装备：批量生产可能需要专用烧结设备。
烧结技术的前景发展
高密度电力电子烧结的最新和新兴发展解决了成本、可扩展性和性能等关键挑战，同时开启了紧凑、高可靠性系统的新可能。以下是一些最有前景的创新：
低温无压烧结
新型银浆和纳米配方允许在200°C<烧结而无需外部压力。这减少了对敏感基材（如陶瓷、聚合物杂质）的应力，并实现多层或多粒模具的同时共烧结。它非常适合自动化、高通量的装配线。
铜烧结（农业替代）
铜纳米颗粒烧结正作为银的低成本替代品，具有相当的热导率和电导率。该技术需要无氧加工或表面处理以防止氧化。它通常适用于考虑成本限制或农业迁移的应用（例如汽车、消费级电力电子）。
混合烧结材料
复合烧结膏（如Ag-Cu、Ag-石墨烯、Ag-Sn）的开发结合了多种材料的优势，经过调校以优化热膨胀、减少空隙并增强接头延展性，从而提升抗冲击和抗应变能力。这为坚固电子领域带来了希望，如航空航天和国防系统。
原位监测与基于人工智能的控制
将实时感测（温度、压力、电阻）集成到烧结平台中，可以使烧结更为实用。AI/机器学习驱动的工艺优化实现了预测性质量控制，减少缺陷并提高良率。这在多芯片电源模块和先进封装（如堆叠芯片）中尤为有价值。
三维烧结互连与印刷动力结构
高电流、高密度模块的三维烧结金属特征（通孔、凸起和互连）增材制造支持垂直功率模块架构和先进冷却策略（如嵌入式微通道）。它能够实现功率、逻辑和被动元件的超紧凑型共封。
增强散热基底
烧结正与金刚石、石墨烯或氮化铝（AlN）基底结合，形成超高性能热堆栈。这有助于提升硅碳逆变器和电动汽车快充等设备的热通量管理。采用梯度烧结层的定制界面可降低热膨胀不匹配和分层风险。
结论
烧结可以成为高可靠性、高温、高密度功率模块的关键推动力。烧结越来越多地被电动车、航空航天和可再生能源转换器采用，这些领域因性能和耐用性而值得承担的复杂性和成本。
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