永鑫行研|车规级SiC器件封装核心设备之银烧结设备

以下是永鑫方舟团队第36篇行研

前  言

随着新能源汽车（EV）在全球汽车市场渗透率不断提高，行业对EV电气系统的可靠性和功率密度的要求越来越高。第三代半导体SiC功率器件凭借其超宽禁带、高可靠的特性，正逐步成为EV主逆变器、OBC和DC/DC等模块的核心部件。由于EV在加速行驶、快速充电等场景下，相关功率模块会出现瞬时功率高、温度高的特征，因此对SiC功率器件封装提出了更高的要求。

传统功率器件封装中软钎焊技术的焊料的结温低于150度，无法支持SiC功率器件在200度以上正常使用，因此银烧结技术成为了车规等领域SiC器件的必选路线。

银烧结技术通过高温烧结使得纳米银粉与SiC Die和基板表面形成多孔性结构，相对于传统的软钎焊共晶技术，使用银烧结技术能够让SiC功率器件具有更低的电阻、更高的热导率和更好的耐高温性能。因此银烧结技术被广泛应用于车规级SiC功率模块封装中。本行研主要针对银烧结设备细分赛道，探讨国内外的发展现状，寻求潜在投资机会。

1.1行业背景

近20多年来，碳化硅(silicon carbide，SiC)作为一种宽禁带功率器件，受到人们越来越多的关注。与硅相比，碳化硅具有很多优点，如：碳化硅的禁带宽度更大，这使碳化硅器件拥有更低的漏电流及更高的工作温度，抗辐照能力得到提升；碳化硅材料击穿电场是硅的10倍，其器件可设计更高的掺杂浓度及更薄的外延厚度，与相同电压等级的硅功率器件相比，导通电阻更低；碳化硅具有高电子饱和速度的特性，使器件可工作在更高的开关频率；同时，碳化硅材料更高的热导率也有助于提升系统的整体功率密度。碳化硅器件的高频、高压、耐高温、开关速度快、损耗低等特性，使电力电子系统的效率和功率密度朝着更高的方向前进。

资料来源：YOLE,2016,IHS

碳化硅器件的这些优良特性，需要通过封装与电路系统实现功率和信号的高效、高可靠连接，才能得到完美展现，而现有的传统封装技术应用于碳化硅器件时面临着一些关键挑战。

1.2 SiC封装的难点以及解决办法

目前的SiC封装技术大多沿用硅基器件的传统封装方式，会导致两方面问题：

1）引线键合，复杂内部互联结构会产生较大寄生电容/电感的问题。SiC器件由于具有高频特性、栅极电荷低、开关速度块等特性，在开关过程中，电压/电流随时间的变化率会变得很大，极易产生电压过冲和振荡现象，造成器件电压应力以及电磁干扰等现象。

2）高工作电压以及电流下的器件散热问题。传统功率模块中，芯片通过软钎焊接到基板上，连接界面一般为两相或三相合金系统，在温度变化过程中，连接界面通过形成金属化合物层让芯片、软钎焊料合金及基板之间形成互联，目前熔点基本在300℃以下，采用软钎焊工艺的功率模块结温一般低于150℃，应用于温度为175-200℃甚至200℃以上的情况时，其连接层性能会急剧退化，影响模块工作的可靠性。在第三代半导体领域，由于碳化硅材料的使用，芯片尺寸小了，芯片单位面积的功率高了，这意味功率模块需要更多地依赖封装工艺和散热材料来提供散热。在功率器件中，流经焊接处的热量非常高，需要更加注意芯片与框架连接处的热性能及其处理高温而不降低性能的能力。

传统硅基功率模块封装VS SiC功率模块封装新要求

数据来源：芯 TIP，曹建武 罗宁胜《碳化硅器件挑战现有封装技术》

由于传统封装对于SiC模块存在一定难以解决的技术问题，未来SiC模块封装主要有以下两类发展趋势：

1）在互联、烧结技术方面。内部互联技术将从铝线键合/超声焊接将改用铜线方式形式，芯片/衬板烧结方式将采用银烧结技术代替传统pb/Sn合金焊；

2）在材料方面。衬板从氧化铝升级到氮化硅、氮化铝、AMB厚铜衬板，塑封取代传统灌胶。传统的HPD使用氧化铝材料，优点在于价格便宜、供应量充足，缺点在于散热能力较差。新型基材主要是氮化硅、氮化铝材料、AMB厚铜衬板。氮化铝一般用于工业领域，氮化硅常用于汽车领域，AMB厚铜衬板用在车载 SiC 领域。

资料来源：电子发烧友，YOLE，上海证券研究所

SiC在烧结方向的技术趋势主要以银烧结工艺为主。纳米银烧结是一种采用纳米银浆料作为导电粘结材料的芯片封装方法。简单说就是用具有纳米级尺寸的银粒子取代传统封装工艺中的金锡等金属焊料。下面就具体介绍一下纳米银烧结工艺。

1.3银烧结技术介绍

银烧结工艺烧结体具有优异的导电性、导热性、高粘接强度和高稳定性等特点。用该工艺烧结的纳米银烧模块可长期工作在高温环境；另外银烧结工艺会在芯片烧结层形成可靠的机械连接和电连接，半导体模块的热阻和内阻均会降低，提升模块性能及可靠性。银烧结技术可使模块使用寿命提高5-10倍，烧结层厚度较焊接层厚度薄60-70%，热传导率提升3倍。此外，烧结料为纯银材料，不含铅，属于环境友好型材料。

传统功率模块封装工艺与银烧结工艺对比

资料来源：碳化硅芯观察公众号、天风证券研究所

主流的银烧结设备主要分成两类工艺流程，一种是无压烧结工艺，另一种则是有压烧结工艺。

无压银烧结工艺很难促进银颗粒间的机械接触，减少互连层的孔隙；但是银颗粒尺寸较小的焊膏，因为所需的驱动力较小，因此可以实现低温无压烧结；然而，无压烧结工艺中烧结时间不足时会导致接头孔隙率较大，且在高于250摄氏度下烧结至少需要60min才能形成牢固的连接接头。

有压银烧结可以为烧结提供驱动力，促进银浆料与金属层间的相互扩散反应，有助于消耗有机物排出气体，使互连层孔隙更少，从而形成稳定致密的银烧结接头。但由于现有的设备技术原因，高烧结压力实现自动化生产难度较大，且过高的烧结压力会造成芯片的损坏，导致器件可靠性的下降。

数据来源：半导体在线

目前银烧结技术已经由微米银烧结进入纳米银烧结阶段，纳米银烧结与微米银烧结技术相比连接温度和辅助压力均有明显下降，极大扩大了工艺的使用范围。在银烧结技术中，为了防止氧化和提高氧化层的可靠性，需要在基板裸铜表面先镀镍再镀金或镀银，同时烧结温度控制和压力控制也是影响模组质量的关键因素。烧结温度、烧结压力、烧结气氛都对会银烧结环节产生较大影响，所以需要高质量的设备来控制这些问题。下图是Boschman的银烧结设备以及局部图。

银烧结设备的市场和SiC产业息息相关。由于第三代半导体材料具有特殊的物理和化学特性，需要使用专门的设备和工艺来进行封测，以满足市场对高性能、高可靠性的半导体器件的需求。

SiC器件被广泛用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、国防军工等领域。Yole数据显示，全球SiC功率器件市场规模将由2021年的10.9亿美元增长至2027年的62.97亿美元，2021-2027年CAGR+34%。

全球SiC功率器件市场规模

数据来源：YOLE&华泰证券研究所

根据国际能源署发布的《全球电动汽车展望2023》，从新能源汽车产业链的角度出发，假设目前3台车需要消耗一片6吋SiC晶圆，一台银烧结设备的年产能是8750片晶圆，银烧结设备的产能利用率当前为30%，利用率逐渐升高；综上则可以推测出2023年的全球银烧结设备市场规模约为20亿人民币，到2030年全球银烧结设备市场规模约为50亿元。预计2023年中国的银烧结设备市场规模为12亿元人民币，到2030年全球银烧结设备市场规模可达近25亿元。

数据来源：国际能源署（以下简称IEA）发布的《全球电动汽车展望2023》，永鑫方舟整理

数据来源：国际能源署（IEA）发布的《全球电动汽车展望2023》，永鑫方舟整理

3.1海外主要玩家

纳米银烧结设备是目前车规级SiC封装固化工艺的最核心设备，海外厂商研发及量产较早。

资料来源：永鑫方舟整理

3.2中国主要玩家

银烧结设备开发难度较大，需下游客户配合验证，截至2022年未尚未有国内公司实现国产化的批量生产。目前国内银烧结设备主要来自于Boschman Technologies和ASMPT。目前国内从事银烧结设备研发和生产的厂商主要有先进连接、快克智能、嘉源昊泽、皓越真空、中科同志和帝科股份等。

资料来源：永鑫方舟整理

永鑫方舟投资团队认为：快充将是未来新能源汽车主流的补电方式，为了解决高温大功率器件所面临的问题，银烧结技术是车规级SiC器件封装技术的必选路线。银烧结设备单台价值高，技术难度大，随着车规级SiC大规模应用，银烧结设备的市场也会加速扩大。永鑫投资团队会持续关注银烧结设备的发展及国产化进度，寻求潜在投资机会。

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