碳化硅半導(dǎo)體封裝核心技術(shù)分析——銀燒結(jié)技術(shù)

    隨著電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電子產(chǎn)品正在向著質(zhì)量輕、厚度薄、體積小、功耗低、功能復(fù)雜、可靠性高這一方向發(fā)展。這就要求功率模塊在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)情況下都要有良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能以及可靠性。功率模塊的體積縮小會(huì)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(huì)嚴(yán)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(jié)技術(shù)受到了越來越多研究者的關(guān)注。

 

圖1 蘋果手機(jī)主板上的器件集成度越來越高

 

低溫?zé)Y(jié)互連技術(shù)

 

    上世紀(jì)90年代初，研究人員通過微米級(jí)銀粉顆粒進(jìn)行燒結(jié)實(shí)現(xiàn)了硅芯片和基板互連，這種燒結(jié)技術(shù)即為低溫?zé)Y(jié)技術(shù)。在制作銀粉的過程中通常會(huì)加入有機(jī)添加劑，避免微米級(jí)的銀粉顆粒發(fā)生團(tuán)聚和聚合現(xiàn)象。當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到210℃以上時(shí)，在氧氣環(huán)境中銀粉中的有機(jī)添加劑會(huì)因高溫分解而揮發(fā)，最終變成純銀連接層，不會(huì)產(chǎn)生雜質(zhì)相。整個(gè)燒結(jié)過程是銀粉顆粒致密化的過程，燒結(jié)完成后即可形成良好的機(jī)械連接層。銀本身的熔融高達(dá)961℃，燒結(jié)過程遠(yuǎn)低于該溫度，也不會(huì)產(chǎn)生液相。此外，燒結(jié)過程中燒結(jié)溫度達(dá)到230-250℃還需要輔助加壓設(shè)備提供約40MPa的輔助壓力，加快銀焊膏的燒結(jié)。

 

    該種燒結(jié)方法可以得到更好的熱電及機(jī)械性能，接頭空隙率低，熱疲勞壽命也超出標(biāo)準(zhǔn)焊料10倍以上。但是隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)大的輔助壓力會(huì)對(duì)芯片產(chǎn)生一定的損傷，并且需要較大的經(jīng)濟(jì)投入，這嚴(yán)重限制了該技術(shù)在芯片封裝領(lǐng)域的應(yīng)用。之后研究發(fā)現(xiàn)納米銀燒結(jié)技術(shù)由于納米尺寸效應(yīng)，納米銀材料的熔點(diǎn)和燒結(jié)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(dǎo)熱導(dǎo)電能力。燒結(jié)過程的驅(qū)動(dòng)力主要來自體系的表面能和體系的缺陷能，系統(tǒng)中顆粒尺寸越小，其比表面積越大，從而表面能越高，驅(qū)動(dòng)力越大。外界對(duì)系統(tǒng)所施加的壓力、系統(tǒng)內(nèi)的化學(xué)勢差及兩接觸顆粒間的應(yīng)力也是銀原子擴(kuò)散遷移的驅(qū)動(dòng)力。燒結(jié)得到的連接層為多孔結(jié)構(gòu)，空洞尺寸在微米以及納米級(jí)別。當(dāng)連接層的孔隙率為10%的情況下，其導(dǎo)熱及導(dǎo)電率可達(dá)到純銀的90%，遠(yuǎn)高于普通軟釬焊料。

 

圖2 銀燒結(jié)互聯(lián)示意圖

 

銀燒結(jié)技術(shù)在功率模塊封裝中的應(yīng)用

 

    碳化硅芯片可在300℃以上穩(wěn)定工作，預(yù)計(jì)模塊溫度將達(dá)到175-200℃。傳統(tǒng)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(tǒng)，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(lián)。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(diǎn)基本在300℃以下，采用軟釬焊工藝的功率模塊結(jié)溫一般低于150℃，當(dāng)應(yīng)用于溫度為175-200℃甚至200℃以上的情況時(shí)，其連接層性能會(huì)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(jié)技術(shù)和雙面銀燒結(jié)技術(shù)。通過相應(yīng)的高溫循環(huán)測試發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)軟釬焊工藝，采用單面銀燒結(jié)技術(shù)的模塊壽命提高了5-10倍，而采用雙面銀燒結(jié)技術(shù)的模塊壽命提高了10以上。

 

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圖3 雙面銀燒結(jié)技術(shù)

 

    之后2007年，賽米控推出了SkinTer技術(shù)，芯片和基板之間采用精細(xì)銀粉用銀燒結(jié)工藝進(jìn)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(huán)能力提升了2-3倍，燒結(jié)層厚度減少約70%，熱導(dǎo)率大約提升3倍。2012年，英飛凌有推出了XT互聯(lián)技術(shù)，芯片和基板之間采用銀燒結(jié)技術(shù)連接。循環(huán)試驗(yàn)表明，無底板功率模塊壽命提升達(dá)2個(gè)數(shù)量級(jí)，有底板模塊壽命提升也在10倍以上。2015年，三菱電機(jī)采用銀燒結(jié)技術(shù)制作功率模塊，循環(huán)壽命是軟釬焊料的5倍左右。

 

    我司研發(fā)生產(chǎn)的燒結(jié)設(shè)備可以提供合適的輔助壓力，氣氛環(huán)境以及合適的加熱溫度，滿足銀燒結(jié)技術(shù)所需的技術(shù)指標(biāo)，能夠?yàn)樾袠I(yè)內(nèi)的功率器件生產(chǎn)廠商提供相應(yīng)的燒結(jié)設(shè)備以及技術(shù)支持。

 

圖4 氣氛燒結(jié)爐（左） SPS等離子放電燒結(jié)系統(tǒng)（右）

 

    皓越科技針對(duì)市場需求，不斷研發(fā)，改進(jìn)技術(shù)，推出性能卓越的燒結(jié)設(shè)備，助力國內(nèi)半導(dǎo)體封裝市場，提供各種氣氛燒結(jié)爐，熱壓燒結(jié)爐，放電等離子燒結(jié)爐，為半導(dǎo)體封裝企業(yè)的燒結(jié)工藝提供完善的熱處理解決方案。

 

    皓越科技是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售電爐為一體的高新技術(shù)企業(yè)。公司一直專注于先進(jìn)陶瓷與復(fù)合材料、半導(dǎo)體材料、碳材料和鋰電及新能源材料裝備四大領(lǐng)域，擁有豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)技術(shù)，竭誠服務(wù)于客戶，提供完善的一體化產(chǎn)業(yè)解決方案。