在全球能源转型持续推进和“双碳”目标实施的背景下，功率半导体器件在光伏等能源领域中的作用日益关键。以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的第三代宽禁带半导体材料，具有高击穿电场、高电子饱和漂移速率和优异的导热性。基于这些特性，功率器件可以在更高的电压、频率和温度条件下运行[1], [2], [3]，例如在新能源汽车、5G 通信、航空航天等领域。值得注意的是，SiC 器件的理论工作温度可超过 300℃，远超传统硅基器件 175℃的上限，这对封装互连材料提出了严格的性能要求[4]。
在功率模块封装中，芯片贴装互连层不仅起到电气连接和机械支撑作用，还充当芯片向基板传递热量的关键路径。传统的锡基焊料（如 Sn-Ag-Cu）由于熔点低（<250 ℃），加之抗蠕变和抗疲劳性能不足，在高温运行下存在失效风险，无法满足 SiC 器件的高温应用需求[6], [7]。针对这一情况，研究人员开发了各种新型互连技术，包括瞬态液相 (TLP) 键合[8], [9]、银 (Ag) 烧结 [10], [11], [12] 和铜 (Cu) 烧结[13], [14], [15] 等。
表 1 比较了当前主流功率器件互连材料的性能特征。其中，Ag 烧结技术因其优异的电热导性和抗氧化性获得了更广泛的商业应用。然而，Ag 材料成本高（约为 Cu 的 50-100 倍），且在高压潮湿环境中易发生电化学迁移，这限制了其大规模推广[16], [17]。相比之下，Cu 不仅具有与 Ag 相当的电热导性，而且成本仅为 Ag 的 1/50 到 1/100，并表现出优越的抗电化学迁移性；因此，它被认为是 Ag 烧结方案的理想替代品[13], [14], [15], [16], [17], [18]。关于烧结 Cu 和烧结 Ag 之间的更详细比较，特别是在可靠性和功率循环性能方面，见第 4.3 节（表 6）。如图 3 所示，铜烧结技术在相关领域的研究热度逐年增加。
大约 2018 年后铜烧结研究活动的显著增加可归因于几个汇聚因素。在控制铜的氧化和界面化学方面取得了重大进展。最近的研究进一步表明，铜表面氧化物的结构和化学状态，特别是 Cu2O，强烈影响铜的电化学和界面反应行为，而表面屏障层和吸附的有机抑制剂可以有效抑制环境侵蚀并稳定铜表面 [19], [20], [21], [22]。这些进展，连同纳米颗粒合成、自还原膏配方、无压键合和快速烧结技术的进步，逐渐缓解了铜主要的氧化相关限制，从而加速了高温功率电子封装中铜烧结的研究兴趣。
然而，与此同时，铜纳米颗粒具有极高的比表面积，使其在制备、储存和烧结过程中极易氧化。生成的氧化物层 (Cu2O, CuO) 显著阻碍了原子扩散和烧结致密化，导致接头强度低和导电性差[23], [24]。铜的氧化行为远比一般感知到的复杂。除了热力学稳定的氧化亚铜 (Cu2O) 和氧化铜 (CuO) 外，一系列亚稳态次氧化物相，如 Cu8O 和 Cu64O，也可以在特定的合成或氧化条件下形成[25]。这些次氧化物具有独特的晶体结构。例如，Cu64O 呈现出包含 128 个 Cu 原子和 2 个 O 原子的正交晶系结构，常见于铜颗粒表面或纳米尺度下的内部晶界处。研究表明，Cu64O 可以在相对较低的温度下 (100-150 ℃) 被有机酸（如己酸）或还原性溶剂还原为金属 Cu。该还原过程伴随着显著的晶体结构转变（从正交晶系到面心立方）和体积收缩。这种转变显著提高了 Cu 原子的扩散系数，为低温烧结提供了额外的动力学驱动力[29]。因此，与其简单地抑制铜氧化，不如合理利用和调节 Cu?O 中间相的形成与还原，这可能为设计下一代高活性铜烧结膏提供新策略。因此，开发有效的抗氧化策略已成为实现可靠低温低压铜烧结的关键问题。
本综述聚焦于 SiC 功率模块封装的纳米铜烧结技术。从铜烧结膏的抗氧化策略、低温低压烧结条件下的互连机制以及烧结焊点的可靠性三个方面，系统综述了最新的研究进展。通过对当前技术和理论发展的综合分析，本综述旨在为下一代高性能和高可靠性铜烧结材料的设计提供见解，并支持其在先进 SiC 功率模块封装中的工业化实施。
