碳化硅半導體封裝核心技術分析——銀燒結技術

更新更新時間：2020-11-23

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隨著電子產業(yè)的發(fā)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(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(fā)生團聚和聚合現象。當燒結溫度達到210℃以上時，在氧氣環(huán)境中銀粉中的有機添加劑會因高溫分解而揮發(fā)，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(fā)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)所施加的壓力、系統(tǒng)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(lián)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(wěn)定工作，預計模塊溫度將達到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(huán)測試發(fā)現，相比于傳統(tǒng)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(huán)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(lián)技術，芯片和基板之間采用銀燒結技術連接。循環(huán)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(huán)壽命是軟釬焊料的5倍左右。

我司研發(fā)生產的燒結設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，滿足銀燒結技術所需的技術指標，能夠為行業(yè)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(tǒng)（右）

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