燒結(jié)納米銀做SiC芯片封裝互連層的研究綜述

徐光強 李俊達 楊建琳 馮浩

摘要：納米銀焊膏作為新一代的封裝材料，具有低溫燒結(jié)，高溫服役特性，其燒結(jié)后形成的互連層結(jié)構(gòu)具有獨特的耐高溫性能，高熱導率能力，適用于SiC功率器件對封裝的要求。因此，對燒結(jié)納米銀層的形成機理、燒結(jié)工藝、力學研究、本構(gòu)模型的研究具有重要的價值，本文將針對該問題進行研究。

Abstract： As a new generation of packaging materials， nano-silver solder paste has the characteristics of low-temperature sintering and high-temperature service. The interconnection layer structure formed after sintering has unique high-temperature resistance and high thermal conductivity， which is suitable for the packaging requirements of SiC power devices. Therefore， it is of great value to study the formation mechanism， sintering process， mechanical research and constitutive model of the sintered nano silver layer.

關(guān)鍵詞：SiC;納米銀;燒結(jié);本構(gòu)模型

Key words： SiC;nano silver;sintering;constitutive model

中圖分類號：TG454? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0046-03

0? 引言

IGBT功率器件被廣泛用于新能源電車、車載逆變器上，做主要的控制元器件，而以SiC為代表的第三代半導體材料所制成的功率器件能夠承受500℃左右甚至更高的溫度，比Si小近千倍的導通電阻，多20倍左右的開關(guān)頻率等性[1]。由于現(xiàn)有封裝技術(shù)的限制，特別是芯片與基板的互連技術(shù)，例如銀漿、聚合物材料，軟釬焊等互連技術(shù)由于焊料合金的低熔點、環(huán)氧樹脂的低溫分解等原因，使其不能在高溫環(huán)境下可靠工作，導致限制電力電子系統(tǒng)性能和可靠性的瓶頸從半導體芯片轉(zhuǎn)移到了封裝技術(shù)上來[2]。

近年來以燒結(jié)納米銀技術(shù)為代表的低溫連接技術(shù)是目前功率器件朝耐高溫、高可靠性應(yīng)用發(fā)展的主要趨勢，其基本原理是利用納米尺度下金屬顆粒的高表面能、低熔點特性來實現(xiàn)芯片與基板的低溫低壓燒結(jié)互連。形成的納米銀互連層具有優(yōu)良的電、熱性能，可承受710℃的最高工作溫度，而且其厚度相比傳統(tǒng)的釬焊接頭要薄50～80%，是實現(xiàn)SiC功率器件封裝的理想互連結(jié)構(gòu)[3]。

1? 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 燒結(jié)納米銀互連結(jié)構(gòu)成型原理及微觀結(jié)構(gòu)

納米顆粒具有獨特的性能，其比表面積小并且表面曲率半徑小，這種特性賦予了它具有比常規(guī)的粉體更低的熔點和焊接溫度。納米銀而言，在粒徑尺度在10nm以下時，它的燒結(jié)溫度能降低到100℃以下，比塊狀時候的熔點的961℃低了800℃以上[4]。與塊狀銀微觀結(jié)構(gòu)不同是，納米銀互連層是屬于多孔材料，即在其內(nèi)部分布有眾多的微孔隙，微孔隙的尺寸位于亞微米至微米范圍間。

1.2 燒結(jié)納米銀互連層的制作工藝

其工藝主要包括：

①在覆銅（Cu）基板上涂覆或者絲網(wǎng)印刷納米銀焊膏，將芯片放置在納米焊膏上;

②進行預加熱干燥，用于排除焊膏中的有機氣體等揮發(fā)物，然后在高溫下進行無壓或壓力輔助燒結(jié)，主要燒結(jié)工藝參數(shù)有升溫速率、燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓強、燒結(jié)時間和氣體環(huán)境等;

③燒結(jié)完成后形成SiC-Cu基板納米銀互連層。可以看到，納米銀燒結(jié)互連層是碳化硅功率器件封裝的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元，屬于薄層結(jié)構(gòu)，其厚度范圍一般為20～50μm[5]。SiC芯片和Cu基板表面可以通過鍍銀、金或鎳等燒結(jié)工藝提升其互連層的連接強度。

1.3 燒結(jié)納米銀互連層的工藝改進

Zhiye Zhang[6]比較了壓力輔助燒結(jié)微米尺度的焊膏和無外加壓力燒結(jié)納米焊膏，并通過實驗發(fā)現(xiàn)納米尺度下的銀具有比微米尺度下更高的燒結(jié)驅(qū)動力，避免了壓力燒結(jié)下對芯片和基板中造成缺陷和裂紋等現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)了燒結(jié)溫度和燒結(jié)壓強的增加會降低燒結(jié)銀的孔隙大小。為探究燒結(jié)納米銀中孔隙與顆粒間的競爭關(guān)系，S. Zabihzadeh等人[7]對此進行研究，發(fā)現(xiàn)燒結(jié)過程中粒徑發(fā)生塑性變形，并在兩種不同燒結(jié)條件下對其孔隙圖進行研究。得到低溫低壓下的燒結(jié)的變形和恢復主要受孔隙控制，而高壓/溫下的變形主要受顆粒的內(nèi)部機制影響。

Chuantong Chen[8]通過電鍍工藝和濺射工藝對燒結(jié)工藝進行改進，發(fā)現(xiàn)以濺射方式燒結(jié)后形成的納米銀互連層的結(jié)合強度可達40MPa。

Qi等[9]從工業(yè)現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)較大面積的互連會導致較差的互連質(zhì)量，其原因是增加的互連面積阻止了有機成分被燃盡，會導致更高的的孔隙率，對這種現(xiàn)象的解決方法提出兩個策略，其一為改變芯片尺寸，最好控制在3×3 mm2，其二是在燒結(jié)焊膏中添加“助燃劑”。之后，Chen等[10]通過控制溫度、壓強、燒結(jié)時間研究出了三種燒結(jié)方法，在針對10×10mm2的大面積連接時，既降低了燒結(jié)溫度，又將燒結(jié)后的剪切強度提升至50MPa左右。

此外Yamakawa T等人[11]在實驗中發(fā)現(xiàn)，處于真空環(huán)境下的燒結(jié)方式，比在空氣環(huán)境下的納米銀燒結(jié)層的孔隙率低。

Yuan Li[12]等人研究了超聲振動對無壓燒結(jié)納米銀互連層和力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)在燒結(jié)工藝中引入超聲振動能夠提高燒結(jié)銀尺寸和密度，并發(fā)現(xiàn)其在處理燒結(jié)不充分的邊緣地方，能減小過度區(qū)，提高納米銀互連層的連接強度。

Y Mei等人[13]等人通過引用脈沖電流影響燒結(jié)工藝，能夠在3分鐘的快速燒結(jié)中，得到剪切強度為30-35MPa的工藝方法。

1.4 燒結(jié)納米銀互連層的孔隙研究

Yansong Tan[14]等人統(tǒng)計了在不同時間和溫度下孔隙率情況。發(fā)現(xiàn)孔隙的大致范圍在26.8%左右。除此之外，將孔隙的大小分為3個水平，結(jié)果表明，燒結(jié)時主要由小孔和中孔組成，發(fā)現(xiàn)在275℃和350℃老化過程中，試樣的孔徑增大這些孔隙的數(shù)量同時減少。在125～225℃老化后，孔隙分布趨勢相似，孔隙形狀因子均勻分布，變化不明顯。在275℃和350℃老化條件下，孔徑隨老化溫度和老化時間的增加而增大，與此同時，孔隙出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，不規(guī)則孔隙形狀的出現(xiàn)頻率隨時效溫度和時間的增加而增加。

1.5 燒結(jié)納米銀導熱率及孔隙關(guān)系

Chuantong Chen等人[15]利用聚焦離子束切割橫截面，基于積分幾何形態(tài)圖像，統(tǒng)計并分析得到多孔銀的孔隙率為33.4%，并逆向還原了其三維孔隙模型圖，其中因工藝而生成的致密拋光層，其厚度為2μm，其CTE與致密Ag相同即為18.9μm/（m·K）。并研究發(fā)現(xiàn)當納米銀互連結(jié)構(gòu)從25℃升高到250℃時，多孔的Ag的CTE會由17.5μm/（m·K）變?yōu)?3.2μm/（m·K）。

胡元坤等[16]通過Abaqus創(chuàng)建了燒結(jié)納米銀的孔隙模型，并在不同的預置裂紋下，研究了孔隙對于熱傳導性能的影響。發(fā)現(xiàn)了燒結(jié)納米銀熱流密度分布不均勻，有孔隙的地方會使得周圍的熱流密度變低，并且隨著孔隙率的增加，等效熱導率依次減少。

1.6 燒結(jié)納米銀互連層的蠕變性能研究及蠕變本構(gòu)

李欣[17]對燒結(jié)納米銀互連層進行恒定載荷的蠕變實驗，將蠕變過程分為瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)和加速斷裂三個階段，并結(jié)合空穴移動、應(yīng)變硬化、損傷弱化、損傷耦合對蠕變過程三階段解釋。蠕變試驗中，第二階段占據(jù)接頭蠕變斷裂壽命的絕大部分，因此一般采用穩(wěn)態(tài)蠕變速率■c來表示材料的蠕變性能。根據(jù)接頭蠕變斷裂壽命的絕大部分通過實驗發(fā)現(xiàn)蠕變應(yīng)力指數(shù)以及激活能分別與環(huán)境溫度和加載應(yīng)力的關(guān)系，得到修正后的關(guān)于Arrhenius冪率蠕變本構(gòu)模型，經(jīng)與試驗對比發(fā)現(xiàn)其能較好模擬蠕變實驗結(jié)果。

1.7 燒結(jié)納米銀互連層的壽命預測

李欣[17]基于蠕變應(yīng)變率對燒結(jié)納米銀疲勞壽命進行研究，利用Monkman-Grant公式對燒結(jié)納米銀互連層蠕變壽命進行預測。通過與燒結(jié)銀互連層的實驗結(jié)果的對比，得到燒結(jié)納米銀接頭的材料常數(shù)，進而對低溫燒結(jié)納米銀互連層的蠕變下的壽命進行預測。

齊昆[18]基于Basquin提出的應(yīng)力疲勞壽命預測模型對燒結(jié)納米銀互連層進行研究。通過剪切疲勞試驗數(shù)據(jù)，利用擬合及Basquin基于應(yīng)力的預測模型，得到了燒結(jié)納米銀互連層的疲勞預測式所對應(yīng)的預測公式。

2? 結(jié)束與展望

本文通過對燒結(jié)納米銀互連層的形成原理、工藝、燒結(jié)后的微觀形態(tài)及熱、力學性能、蠕變本構(gòu)及壽命預測等方面進行了簡要綜述。就目前看來，燒結(jié)納米銀的研究主要集中在其制備工藝上，多數(shù)研究者通過實驗的方法對結(jié)果進行研究，而利用數(shù)值優(yōu)化方法進行研究的幾乎沒有。此外對于納米銀多孔結(jié)構(gòu)無法避免的現(xiàn)象，多數(shù)研究者研究點在于通過工藝的控制，很少有研究孔隙形狀、分布情況、孔隙大小等多因素影響下對其疲勞壽命的研究。

參考文獻：

[1]張波，鄧小川，張有潤，李肇基.寬禁帶半導體SiC功率器件發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].中國電子科學院學報，2009，4（2）：112-118.

[2]馮洪亮，黃繼華，陳樹海，趙興科.新一代功率芯片耐高溫封裝連接國內(nèi)外發(fā)展評述[J].焊接學報，2016，37（1）：120-129.

[3]Siow K S . Are Sintered Silver Joints Ready for Use as Interconnect Material in Microelectronic Packaging[J]. Journal of Electronic Materials， 2014， 43（4）：947-961.

[4]曹云嬌.電流燒結(jié)納米銀焊膏連接工藝研究及接頭可靠性[D].天津大學，2013：10-11.

[5]A.A. Bajwa. New Assembly and Packaging Technologies for High-Power and High Tempera- ture GaN and SiC Devices. Ph.D. thesis， University of Freiburg ，2015：47，80.

[6]Z.Y. Zhang. Processing and characterization of micro-scale and nanscale silver paste for power semiconductor device attachment. Ph.D. dissertation， Virginia Polytechnic Institute and State University， 2005.22-90.

[7]S. Zabihzadeh， S.V. Petegem， L.I. Duarte， H.V. Swygenhoven. Deformation behavior of sintered nanocrystalline silver layers. Acta Materialia， 2015， 97： 116-123.

[8]C.T. Chen， K. Suganuma， T. Iwashige， ·K. Sugiura， K. Tsuruta. High-temperature reliability of sintered microporous Ag on electroplated Ag， Au， and sputtered Ag metallization substrates. Journal of Materials Science： Materials in Electronics， 2017， 29（3）： 1785-1797.

[9]Qi， Kun，Chen， Xu，Lu， Guo-Quan. Effect of interconnection area on shear strength of sintered joint with nano-silver paste[J]. Soldering & Surface Mount Technology，2008，20（1）：8-12.

[10]Chen G.， Cao Y.， Mei Y.， et? al.， Pressure-assisted low-temperature sintering? of nanosilver paste for 5×5 mm2 chip? attachment， IEEE Transactions on Components， Packaging and Manufacturing Technology， 2012， 2（11）： 1759～1767.

[11]Yamakawa T， Takemoto T， Shimoda M， et al. Influence of Joining Conditions on Bonding? Strength? of? Joints：? Efficacy? of? Low Tem- perature? Bonding? Using? Cu Nanoparticle Paste[J]. Journal of Electronic Materials， 2013， 42（6）：1260-1267.

[12]Yuan Li et al. Microstructure and Joint Properties of Nano-Silver Pasteby Ultrasonic-Assisted Pressureless Sintering[J]. Journal of Electronic Materials， 2016， 45（6） ： 3003-3012.

[13]Mei Y ，? Cao Y ，? Chen G ， et al. Rapid Sintering Nanosilver Joint by Pulse Current for Power Electronics Packaging[J]. IEEE Transa- ctions on Device & Materials Reliability， 2013， 13（1）：258-265.

[14]Tan Yansong，Li Xin，Chen Gang，Gao Qitong，Lu Guo-Quan，Chen Xu. Effects of thermal aging on long-term reliability and failure modes of nano-silver sintered lap-shear joint[J]. Internati- onal Journal of Adhesion and Adhesives， 2020，97（C）.

[15]Chuantong Chen，Seungjun Noh，Hao Zhang， Chanyang Choe，Jinting Jiu，Shijo Nagao，Katsuaki Suganuma. Bonding technology based on solid porous Ag for large area chips[J]. Scripta Materialia，2018：146.

[16]胡元坤，代巖偉，秦飛.孔隙率對燒結(jié)納米銀傳熱性能影響研究[A].北京力學會.北京力學會第26屆學術(shù)年會論文集[C].北京力學會：北京力學會，2020：2.

[17]李欣.納米銀焊膏搭接接頭力學性能研究[D].天津：天津大學，2011：8-76.

[18]齊昆.納米銀焊膏低溫燒結(jié)粘接可靠性研究[D].天津：天津大學，2007：32-38.