碳化硅半導體封裝核心技術分析——銀燒結技術

    隨著電子產業的發展，電子產品正在向著質量輕、厚度薄、體積小、功耗低、功能復雜、可靠性高這一方向發展。這就要求功率模塊在瞬態和穩態情況下都要有良好的導熱導電性能以及可靠性。功率模塊的體積縮小會引起模塊和芯片電流、接線端電壓以及輸入功率的增大，從而增加了熱能的散失，由此帶來了一些了問題如溫度漂移等，會嚴重影響功率器件的可靠性，加速器件的老化。為了解決高溫大功率器件所面臨的問題，近年來，納米銀燒結技術受到了越來越多研究者的關注。

 

圖1 蘋果手機主板上的器件集成度越來越高

低溫燒結互連技術

 

    上世紀90年代初，研究人員通過微米級銀粉顆粒進行燒結實現了硅芯片和基板互連，這種燒結技術即為低溫燒結技術。在制作銀粉的過程中通常會加入有機添加劑，避免微米級的銀粉顆粒發生團聚和聚合現象。當燒結溫度達到210℃以上時，在氧氣環境中銀粉中的有機添加劑會因高溫分解而揮發，最終變成純銀連接層，不會產生雜質相。整個燒結過程是銀粉顆粒致密化的過程，燒結完成后即可形成良好的機械連接層。銀本身的熔融高達961℃，燒結過程遠低于該溫度，也不會產生液相。此外，燒結過程中燒結溫度達到230-250℃還需要輔助加壓設備提供約40MPa的輔助壓力，加快銀焊膏的燒結。

 

    該種燒結方法可以得到更好的熱電及機械性能，接頭空隙率低，熱疲勞壽命也超出標準焊料10倍以上。但是隨著研究的深入，發現大的輔助壓力會對芯片產生一定的損傷，并且需要較大的經濟投入，這嚴重限制了該技術在芯片封裝領域的應用。之后研究發現納米銀燒結技術由于納米尺寸效應，納米銀材料的熔點和燒結溫度均低于微米銀，連接溫度低于200℃，輔助壓力可以低于1-5MPa，并且連接層仍能保持較高的耐熱溫度和很好的導熱導電能力。燒結過程的驅動力主要來自體系的表面能和體系的缺陷能，系統中顆粒尺寸越小，其比表面積越大，從而表面能越高，驅動力越大。外界對系統所施加的壓力、系統內的化學勢差及兩接觸顆粒間的應力也是銀原子擴散遷移的驅動力。燒結得到的連接層為多孔結構，空洞尺寸在微米以及納米級別。當連接層的孔隙率為10%的情況下，其導熱及導電率可達到純銀的90%，遠高于普通軟釬焊料。

 

圖2 銀燒結互聯示意圖

 

銀燒結技術在功率模塊封裝中的應用

 

    碳化硅芯片可在300℃以上穩定工作，預計模塊溫度將達到175-200℃。傳統功率模塊中，芯片通過軟釬焊接到基板上，連接界面一般為兩相或三相合金系統，在溫度變化過程中，連接界面通過形成金屬化合物層使芯片、軟釬焊料合金及基板之間形成互聯。目前電子封裝中常用的軟釬焊料為含鉛釬料或無鉛釬料，其熔點基本在300℃以下，采用軟釬焊工藝的功率模塊結溫一般低于150℃，當應用于溫度為175-200℃甚至200℃以上的情況時，其連接層性能會急劇退化，影響模塊工作的可靠性。

 

    為了得到可靠性良好的功率模塊，英飛凌在2006年推出了Easypack1的封裝形式，分別采用單面銀燒結技術和雙面銀燒結技術。通過相應的高溫循環測試發現，相比于傳統軟釬焊工藝，采用單面銀燒結技術的模塊壽命提高了5-10倍，而采用雙面銀燒結技術的模塊壽命提高了10以上。

 

圖3 雙面銀燒結技術

 

    之后2007年，賽米控推出了SkinTer技術，芯片和基板之間采用精細銀粉用銀燒結工藝進行連接，在250℃及壓力輔助條件下得到低孔隙率銀層。相比于釬焊層，功率循環能力提升了2-3倍，燒結層厚度減少約70%，熱導率大約提升3倍。2012年，英飛凌有推出了XT互聯技術，芯片和基板之間采用銀燒結技術連接。循環試驗表明，無底板功率模塊壽命提升達2個數量級，有底板模塊壽命提升也在10倍以上。2015年，三菱電機采用銀燒結技術制作功率模塊，循環壽命是軟釬焊料的5倍左右。

 

    我司研發生產的燒結設備可以提供合適的輔助壓力，氣氛環境以及合適的加熱溫度，滿足銀燒結技術所需的技術指標，能夠為行業內的功率器件生產廠商提供相應的燒結設備以及技術支持。

 

圖4 氣氛燒結爐（左） SPS等離子放電燒結系統（右）

 

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