随着第三代半导体器件的高速发展，传统的功率器件封装材料会产生热应力问题、金属间脆性化合物生长问题。低温烧结纳米银具有低温烧结高温服役的特点，还具有优异的导热性能与导电性能，在封装材料方向上具有良好的发展和应用前景。但是，低温烧结纳米银仍然存在烧结致密度低、不能实现大面积封装等问题。目前对烧结技术与烧结材料的研究进行总结和分析，提出了低温烧结纳米银材料和技术的难点，及未来需要继续研究的方向。
随着电力电子器件的工作环境越来越趋于高频率、高温度、大功率、强辐射、高压，第一代和第二代半导体材料很难在这样的环境下工作。第三代半导体材料 SiC 和 GaN 凭借其更快的电子饱和漂移速度、更大的绝缘击穿电场、更高的热导率和更宽的禁带宽度，在电力电子器件领域引起了广泛关注。传统的功率器件封装材料会产生热应力问题、金属间脆性化合物生长问题。作为一种新型的高温功率半导体器件封装界面材料，低温烧结纳米银在现有研究中显示出良好的机械可靠性，具有优异的热、力学和电学性能。
1 低温纳米银烧结技术
低温烧结技术是指在低于金属元素熔点的温度下，对微米或纳米尺寸的金属颗粒进行烧结致密化，实现芯片与基板键合的互连过程。Schwarzbauer 首次提出了一种基于扩散焊接原理的低温焊接技术，通过增加压力来辅助纳米银烧结，能够降低纳米银的烧结温度。该烧结技术不会对基板造成任何塑性变形，且能很好地连接基板和器件，增加可靠性。但这种方法必须用银或金对器件和衬底表面进行金属化。为进一步提高电力电子模块的性能和可靠性，在基板和器件之间涂覆一层薄的银层，在低温、约 40N/mm2 压力下烧结数分钟，该技术解决了在器件或衬底表面的金属化问题。无压烧结可以减少对器件的物理损伤。为证实无压烧结纳米银接头的性能与压力辅助烧结纳米银接头性能相同，通过观察 300℃下无压烧结纳米银接头的微观组织和孔隙变化，证明了无压烧结纳米银接头具有长期可靠性。增大压力烧结可以加强纳米银焊膏与基板的接触，从而加强银与铜原子之间的相互扩散，提高界面处的颗粒填充密度，降低接头的孔隙率。通过对比无压烧结和压力烧结的 SEM 图像可知：压力烧结后纳米银烧结层具有更加致密的微观结构，并且在烧结层中发现多面体银晶粒，多面体银晶粒尺寸会随着压力的增大而减小，多面体银晶粒之间的界面面积增大，从而提高烧结层的抗剪切强度。
2 低温烧结纳米银材料
2.1 银浆料
使用单一银粉配置银浆，银浆烧结后的性质会因为银粉的形貌、大小产生不同的变化。片状银粉之间的面接触面积最大，烧结后形成的固化膜的致密度较高。使用表面活性剂对银粉表面进行功能化处理，得到的银粉分散效果不同，分散性越好的银粉越有利于颗粒在烧结过程中的能量传递，形成更加致密的连接网络，增加烧结后形成的固化膜的电导率，从而提高烧结后的导电性能。
粉末最紧密堆积理论指出，不同粒径的粉体搭配可得到孔隙率较低的粉体体系，孔隙率降低会使银浆在烧结时的导电性和导热率更好。在微米银粉中搭配纳米银粉，片状银粉间通过面接触存在堆积缝隙。使用球形纳米银颗粒与片状银粉混合时，球形纳米银颗粒填充在片状银粉的堆积缝隙中，增加堆积密度，降低孔隙率。但是银的电迁移现象严重，在烧结过程中容易出现虚接或者短路现象。如果使用铜代替部分银，不但可以改善银的电迁移现象，还能降低成本。
2.2 银、铜复合浆料
铜容易被氧化且接头强度低。为增加接头强度，Yan 等人研究了纳米银与纳米铜混合颗粒作为低温互连材料，包覆在混合颗粒上的聚合物能够防止它们被氧化，在 200 ℃下粘结，接头的剪切强度可达 13.5MPa。这种铜银混合浆料成本低、工艺温度低、抗电迁移性能好。纳米铜极易被氧化，并且接头强度低于银。针对纳米铜容易被氧化的问题采取相应措施：在纳米铜上镀银制备银铜核壳颗粒，能够提高纳米铜的抗氧化性能，实现牢靠的粘接，接头的剪切强度可达32.7 ～ 58MPa。将纳米银与微米铜混合，烧结后密度为块体铜的 55% ～ 65%，铜和银之间会发生相互扩散，降低了铜的氧化，获得了良好的粘结界面，提高了热导率和导电性。
3 结语
根据纳米银的尺寸效应，能够实现低温烧结，避免温度变化产生的热应力，同时还避免了脆性金属间化合物的生成。纳米银浆还存在问题亟需解决：尽量降低芯片在烧结连接过程中的损耗风险，最大限度发挥烧结纳米银材料的优异性能和可靠性，提高封装器件的整体性能和可靠性。对于银浆在烧结过程中的微观结构演变还需要深入研究。未来的封装材料朝着多种材料复合的方向发展，使用的银粉也朝着纳米银粉发展，所追求的烧结温度越低越好，而工作温度越高越好。
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