SiC芯片与陶瓷基板连接：钎焊还是烧结？终极选择取决于应用场景

在新能源汽车、储能、轨道交通等领域飞速发展的当下，碳化硅（SiC）功率器件正凭借其耐高温、高频率、低损耗的卓越特性，加速取代传统硅基器件，成为新一代电力电子的核心。然而，一个常被忽略的关键是：SiC器件的性能潜能能否被彻底释放，极大地依赖于封装环节中——“芯片与金属化陶瓷基板”的连接可靠性。这就如同建造摩天大楼，地基的坚固程度直接决定了整座建筑的安全上限与使用寿命。

目前，行业普遍采用的两种连接工艺——钎焊与烧结，虽然目标都是实现芯片与基板的牢固结合，但其内在原理和最终性能表现却存在天壤之别，直接决定了功率模块的可靠性、寿命乃至整体性能。要洞察二者的优劣，必须从最根本的“连接机理”入手。

钎焊 (Brazing/Soldering)：液态金属的“胶合”艺术
钎焊工艺类似于“用熔化的金属胶水进行粘接”。它采用一种熔点低于芯片和基板的钎料合金（如常见的Sn-Ag-Cu或无铅焊料、Ag-Cu合金等）。加工时，加热至钎料熔点以上，使其熔融为液态，通过毛细作用填充并润湿连接界面，冷却凝固后形成冶金结合。在此过程中，SiC芯片与陶瓷基板本身不熔化，仅有钎料经历了固-液-固的相变。其原理与我们用焊锡连接电线无异，优势在于工艺成熟、成本较低，但形成的连接层导热、耐温及机械性能均受限于钎料本身。

烧结 (Sintering)：固态颗粒的“锻造”融合
烧结工艺则截然不同，它更像是“将细沙压铸成坚固的砖块”。该工艺不使用预制合金，而是采用纳米级或微米级的纯金属粉末（如纳米银粉或铜粉）。在相对较低的温度（200-400°C）和较高压力（1-50 MPa）的共同作用下，金属颗粒通过表面扩散和晶界扩散相互融合、长大，最终形成致密、接近体材料性能的连接层。整个过程无明显液相出现，是金属颗粒在热力与机械力驱动下固态成键的过程，从而实现高强度、高可靠性的连接。

机理差异导致工艺参数分道扬镳

连接机理的根本不同，使得两种工艺的实际操作参数大相径庭：

温度：钎焊温度取决于钎料选择，范围较宽（Sn基钎料约220-250°C，Ag-Cu钎料则需780°C以上）；而烧结工艺通常在200-400°C的中低温区间内完成，既能匹配SiC的耐高温特性，又可避免高温对材料的热损伤。

压力：钎焊通常无需或仅需极小压力（<1MPa），依靠液态钎料的毛细作用实现填充；烧结则必须施加可观的压力，以驱动颗粒重排、变形和扩散，确保连接层的致密性与低孔隙率，压力不足极易导致烧结体疏松而失效。

在材料选择上，两种工艺存在根本区别：钎焊采用成分预先设计好的钎料合金，常通过添加Sn、In、Zn等低熔点元素以降低熔化温度；而烧结则使用高纯度金属微粉（如纳米银粉、铜粉）所制备的浆料或预置片，其中可能含微量有机载体，但在烧结过程中会完全分解挥发，最终形成近乎纯金属的连接层。

在工艺环境方面，两者均需在惰性（如N₂）或还原性（如H₂）气氛保护下进行，以防止氧化、保证连接质量。但由于烧结所用金属粉末比表面积巨大、活性极高，对气氛纯度和氧含量的控制要求远高于钎焊。

这些材料与工艺的本质差异，最终深刻影响了连接层的性能表现，也直接决定了SiC器件在实际应用中的效能与寿命：

热导率方面，钎焊层热导率受钎料组分限制：常见Sn基钎料仅50–80 W/(m·K)，高性能Ag-Cu钎料也多在250 W/(m·K)以下；而烧结银和烧结铜的热导率可分别达到250–300 W/(m·K)与300–350 W/(m·K)，非常接近体材料 values。更高的热导率可显著提升散热能力，降低结温，这对高功率密度的SiC器件至关重要。

耐高温性能方面，钎焊层的工作温度上限受钎料熔点制约：Sn基钎料通常低于200°C，Ag-Cu钎料也难以超过780°C；反观烧结银层（熔点961°C）和烧结铜层（熔点1085°C），可稳定工作于300–500°C高温环境，完美匹配SiC器件200–300°C的工作温度需求，从根本上杜绝了连接层高温软化或失效的风险。

热循环可靠性更是烧结的优势领域。钎焊层与SiC/陶瓷基板之间存在显著热膨胀系数（CTE）失配（如Sn钎料CTE≈23 ppm/°C，AlN陶瓷CTE≈4.5 ppm/°C），在温度循环中易积累应力导致疲劳开裂，通常只能承受1000–3000次循环；烧结银或铜不仅CTE更接近半导体材料，还具备一定的塑性变形能力，可有效缓解热应力，热循环寿命普遍超过5000次，甚至可达上万次，极其适合新能源汽车、储能系统等需承受剧烈温度变化的应用场景。

详细对比分析：钎焊 vs. 烧结

为了更清晰地展示两者的区别，请看下表：

当然，工艺选择需综合考量成本因素：

钎焊在成本方面优势明显。钎料价格较低，工艺设备（回流焊炉、真空钎焊炉）成熟且投资较小，生产周期短（保温时间5–30分钟），生产效率高，非常适用于对成本敏感的中低功率场景，如小型光伏逆变器、工业通用变频器等。

烧结目前成本较高。纳米金属材料（尤其是银粉）价格昂贵，铜粉虽成本较低但需严格防氧化；工艺设备（特别是加压烧结炉）复杂度高，投资可达钎焊设备的3–5倍；再加上工艺周期长、需精细控温，导致生产效率较低。因此，该技术目前主要集中于高端市场，如新能源汽车主驱逆变器、大功率储能PCS、轨道交通牵引变流器等追求极致性能与可靠性的应用领域。

不过，随着技术的持续演进与规模化应用，烧结工艺的综合成本正稳步下降。特别是纳米铜烧结技术在抗氧化和工艺兼容性上的突破，在显著降低原材料成本的同时，仍能维持优异的导热与可靠性表现，有望成为未来高功率SiC器件封装的主导技术。另一方面，钎焊工艺得益于高度成熟的产业链和明显的成本优势，在中低功率市场仍将保持重要地位。

总体而言，钎焊与烧结并非简单的替代关系，而是应用场景互补的技术路线。实际选择需综合考虑具体应用场景、功率等级、可靠性要求及成本约束。可以预见的是，随着SiC器件不断向高功率、高温运行与长寿命方向发展，性能更卓越的烧结工艺将迎来更广阔的应用空间；而钎焊也仍会在其优势领域持续发挥价值。二者并行发展，共同推动SiC功率模块封装技术向前迈进。