摘要：
本文针对纳米银烧结工艺的3个核心参数（纳米银层厚度、烧结温度和烧结压力）进行系统研究。采用自主研发的加压烧结装置进行工艺参数优化试验。为了深入解析工艺机理，构建多物理场耦合模型，研究烧结过程中的热压耦合、剪切变形和传热特性，定量揭示工艺参数对界面应力分布、剪切应变演化和热流传导特性的影响规律。通过试验与仿真多维度验证，确定最佳工艺参数组合为纳米银层厚度100μm、烧结温度235℃和烧结压力20MPa。研究结果表明，适度的压力加载能够促进银颗粒重排致密化，优化的温度-压力协同作用机制能够显著提升界面结合强度与热传导性能。
以第三代宽禁带半导体材料碳化硅（SiC）为基础的功率器件和功率模块是高温大功率电子系统的核心器件，其超宽禁带宽度为3.3eV，其最高工作温度为500℃，热导率为490W/（m·K），优势显著。但是，SiC器件高频、高温工况下面临严峻挑战，传统封装技术存在封装互连层热机械可靠性问题。纳米银低温烧结技术是一种革命性固相连接方法，根据纳米颗粒尺寸效应实现200℃~300℃低温烧结成型，同时具备700℃高温服役能力。这种独特的“低温烧结-高温服役”特性，使其在烧结过程中避免了传统高温焊接对SiC基板的界面损伤，在高温工况下仍能保持稳定的导电（2.5×108S/m）和导热（240W/（m·K））性能。纳米银烧结层在-55℃~300℃热循环条件下的热应力积累比传统焊料低40%，为SiC功率模块的可靠性应用提供了有力支撑。
为了保证碳化硅功率器件封装的高导热性和高可靠性，纳米银烧结过程不仅需要适当的温度，而且需要施加一定的辅助压力。本文开发了一款有压烧结设备，并进行了纳米银膏的烧结试验，对纳米银烧结工艺中的烧结温度、烧结压力以及纳米银厚度进行了试验。利用仿真工具进行热压、剪切和传热分析，讨论了不同烧结工艺下的应力变化、剪切变形和热流分布。这些研究为纳米银在碳化硅器件封装中的应用奠定了坚实基础。
1、纳米银烧结工艺
纳米银烧结是碳化硅功率器件封装的核心工艺，由于纳米银膏的成分和颗粒形态不同，因此烧结工艺参数会有所差异。一般来说，烧结温度为200℃~300℃，烧结压力为5MPa~30MPa，烧结时间为3min~10min。本文根据纳米银烧结所需核心工艺参数设计了一款专用装置，突破了温度和压力均匀性控制技术、烧结气氛控制技术，集成了力-热-气耦合环境。利用该设备进行烧结工艺验证，能够保证纳米银烧结的高效性和可靠性。
纳米银烧结工艺及烧结设备如图1所示。其中，图1（a）列出了纳米银烧结工艺的3个关键影响因素，即烧结温度、烧结压力和烧结时间，这些因素对烧结效果具有决定性作用。图1（b）展示了纳米银烧结设备的结构，主要包括高压腔、烧结腔、施压组件和加热组件等核心部件。该设备通过各组件的协同作用，为纳米银烧结提供了精准的工艺控制和稳定的烧结环境。图1（c）展示了纳米银膏烧结的工艺流程，包括4个关键工序。首先，采用钢网印刷技术，将纳米银膏均匀涂覆于陶瓷基板表面，印刷厚度约为100μm。其次，在热烘箱中进行溶剂挥发处理，预烘干工艺参数约为120℃恒温环境，并持续25min。再次，进行芯片热贴合，维持120℃基板温度，并同时施加10kg接触压力，保证芯片与基板形成初步机械结合。最后，利用高温压力烧结实现可靠互连，该阶段采用约230℃的烧结温度配合约20MPa机械压力，在10min持续作用下完成银颗粒致密化冶金结合。
纳米银烧结试样及其CT检测结果（纳米银层厚度100μm，烧结温度235℃，压力20MPa，时间10min）如图2所示。试验采用4.5mm×5.5mm芯片尺寸试样，以活性金属钎焊（ActiveMetalBonding，AMB）基板为基底，根据CT分析确认烧结层孔隙率低于1%。孔隙率演化主要受材料本征特性和烧结工艺参数协同作用的影响。在陶瓷界面材料体系中，虽然存在镀金/镀银等表面处理方案，但是工业界普遍采用铜覆层界面材料体系。对烧结材料体系来说，纳米银膏层厚度是决定导电/导热性能的关键参数。在工艺参数方面，烧结温度梯度和压力场分布会直接影响银颗粒的扩散动力学和致密化程度。
2、纳米银烧结工艺影响因素分析
为了探索烧结工艺参数对烧结体性能的影响机制，本文采用多物理场耦合仿真方法进行系统研究。首先，根据热-力耦合场分析，定量揭示Ag层厚度梯度、温度场分布和压力场强度等关键工艺参数对界面应力演化的协同作用规律。其次，进行多维度性能评估，包括基于剪切强度分析的界面结合性能表征、由热导率仿真和温度场重构的传热性能分析。最后，系统构建热压烧结工艺参数（Ag层厚度、温度梯度和压力场）和烧结体多场性能的量化关系模型，为工艺优化提供理论指导。
芯片-纳米银-基板有限元仿真模型如图3（a）所示。模型关键参数配置如下。
1、几何参数。芯片采用4.5mm×5.5mm×0.2mm三维实体建模，纳米银焊膏涂覆区域设定为4.6mm×5.6mm（单边预留50μm尺寸裕度），AMB基板构建为10mm×10mm的3层结构，其中Si3N4陶瓷基板厚度为0.5mm，双面覆铜层各0.2mm。
2、材料参数。纳米银层厚度设置为80μm与100μm。
3、烧结工艺参数。温度场加载设定为220℃/235℃/250℃，压力场加载采用20MPa/25MPa。
4、边界条件。在芯片上表面施加法向均布压力，全域施加温度载荷场，基板底部铜层施加全自由度约束。铜/陶瓷界面采用绑定约束，以模拟冶金结合界面，纳米银层与铜层/芯片间建立摩擦接触边界条件（摩擦系数μ=0.2，根据金属/陶瓷界面特性设定）。
芯片-纳米银-基板的等效应力分布云图（纳米银层厚度100μm，烧结温度235℃，压力20MPa）如图3（b）所示。数值仿真结果表明，应力集中现象主要出现在Si3N4/Cu冶金结合界面（热膨胀系数（Coefficientofthermalexpansion，CTE）失配量Δα=14.5×10-6/K）和Ag/SiC功能界面（Δα=5.8×10-6/K），而Cu/Ag过渡界面呈现相对缓和的应力梯度分布。值得关注的是，由于材料体系热膨胀系数差异会引起热失配效应主导的应力梯度分布特征，因此Si3N4/Cu界面处峰值应力为69MPa，显著高于Ag/SiC界面的43MPa。关键工艺参数对芯片应力分布的量化影响规律如图4所示。本文通过多物理场耦合分析，发现以下3点。1、纳米银层厚度效应。由于减薄烧结层导致应力缓冲效应弱化，因此80μm银层试样的芯片等效应力峰值为87MPa，比100μm试样提升了58.0%。2、烧结温度敏感性。250℃比235℃工况应力值仅提升1.1%，而235℃比220℃同样微幅增长1.1%，表明热激活主导的扩散动力学在230℃~250℃趋近饱和。3、烧结压力响应。当压力为25MPa时，芯片应力比20MPa工况增加25.5%，揭示压力场对界面塑性变形的双重作用机制。
基于应力-成本协同优化原则，本文推荐采用100μm银层厚度（应力降幅为58%，材料成本可控）；烧结温度优选235℃~250℃窗口（兼顾烧结颈形成动力学与热应力控制）；压力参数建议维持在20MPa（平衡烧结致密化需求与SiC芯片脆性断裂风险）。当银层厚度减至80μm时，需要同步将压力降至18MPa，并提升烧结温度至245℃，以重构热-力平衡体系。
基于粘接界面绑定约束假设，采用有限元建模方法系统分析烧结界面剪切行为。利用准静态载荷模拟，分别在芯片长轴方向（5.5mm侧边）和短轴方向（4.5mm侧边）施加等效686N法向剪切力（对应70kg载荷）。长/短边剪切工况下的总变形云图比较如图5（a）、图5（b）所示。仿真数据显示的各向异性变形特征如下：1、总变形量。长边最大变形比短边降低24%。2、Cu/Ag界面变形。长边比短边减少20%。3、Ag/SiC界面变形。长边比短边减少23%。值得注意的是，Ag/SiC界面变形量级为Cu/Ag界面的10倍，表明Ag/SiC界面为剪切失效敏感区域。需要重点关注短轴方向剪切变形和Ag/SiC界面力学响应，必要时可以通过优化银层结构或引入界面强化来提升可靠性。
本文利用有限元热力学仿真系统揭示多层界面结构传热特性规律。基于瞬态热传导理论建立三维模型，其中芯片表面加载200℃等效能耗（对应SiC模块典型结温工况），底部铜层设定20℃恒温边界条件（模拟散热系统）。温度和热流分布云图如图5（c）、图5（d）所示。图5（c）为温度分布云图，SiC/Ag界面温度较高（199℃），Ag/Cu界面温度次之（192℃），Cu/Si3N4陶瓷板界面温度较低（178℃）。在界面热阻影响下，Ag/Cu界面占比23.6%（接触热阻主导），Cu/Si3N4界面占比68.4%（体积热阻主导），SiC/Ag界面占比8.0%（材料热导率优势）。图5（d）为热流分布云图，SiC/Ag界面热流较高（406W/mm2），Ag/Cu界面热流次之（104W/mm2），Cu/Si3N4陶瓷板界面热流较低（33W/mm2）。主要由材料导热率影响，Ag层（100μm）轴向热导率为210W/m·K，Cu层（0.2mm）轴向热导率为398W/m·K，Si3N4层（0.5mm）轴向热导率为90W/m·K。
3、结论
本文采用热-力耦合烧结工艺评估体系，利用有压烧结设备实现纳米银层可控致密化，基于有限元仿真平台构建多物理场耦合模型，进行热压分析、剪切分析和传热分析。重点研究了Ag层厚度梯度（80μm~100μm）对应力缓冲效应的影响规律；温度场分布（220℃~250℃）对扩散动力学的调控机制；压力场强度（20MPa~25MPa）与塑性变形的量化关系。试验与仿真数据表明，当Ag层厚度为100μm时，界面应力峰值比80μm降低58%，有效缓解了热膨胀系数（CTE）失配应力；当烧结温度为235℃时，扩散激活能趋近饱和，满足晶界贯通阈值；当烧结压力为20MPa时，致密度为99%，有助于降低SiC芯片断裂风险。综合试验结果和仿真分析可知，当纳米银厚度为100μm、烧结温度为235℃和烧结压力为20MPa时，烧结效果较好。
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