銀燒結(jié)技術(shù)在功率模塊封裝中的應(yīng)用

燒結(jié)銀技術(shù)在碳化硅封裝中的技術(shù)分析

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(lái)了一些了問(wèn)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(wèn)題，近年來(lái)，納米銀燒結(jié)技術(shù)受到了越來(lái)越多研究者的關(guān)注。

低溫?zé)Y(jié)銀互連技術(shù)

上世紀(jì)90年代初，研究人員通過(guò)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(guò)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(guò)程是銀粉顆粒致密化的過(guò)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(guò)程遠(yuǎn)低于該溫度，也不會(huì)產(chǎn)生液相。此外，燒結(jié)過(guò)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。善仁新材最新研究發(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，燒結(jié)溫度低于200℃，輔助壓力可以低于1-5MPa或者無(wú)壓，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(guò)程的驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)自納米銀體系的表面能和體系的凹陷能，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(shì)差及接觸顆粒間的應(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。

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(guò)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(guò)程中，連接界面通過(guò)形成金屬化合物層讓芯片、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(wú)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℃，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(guò)相應(yīng)的高溫循環(huán)測(cè)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。

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(wú)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。

作為高可靠的連結(jié)技術(shù)，燒結(jié)銀在以SiC為代表的第三代半導(dǎo)體具有良好的應(yīng)用前景。燒結(jié)銀銀層具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，高達(dá)961度的熔點(diǎn)使其可靠性也大大提高，而燒結(jié)溫度和傳統(tǒng)焊料差不多，并且無(wú)鉛化對(duì)環(huán)境特別友好。

國(guó)外研究的第三代半導(dǎo)體連接技術(shù)有低溫?zé)Y(jié)銀連接技術(shù)、固液互擴(kuò)散連接(SLD)和瞬時(shí)液相燒結(jié)連接(TLPS)，其中低溫?zé)Y(jié)銀技術(shù)是目前國(guó)外第三代半導(dǎo)體封裝技術(shù)中發(fā)展最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)，美國(guó)、日本等碳化硅模塊生產(chǎn)企業(yè)均采用此技術(shù)。與高溫?zé)o鉛釬料相比，銀燒結(jié)技術(shù)燒結(jié)連接層成分為銀，具有優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，由于銀的熔點(diǎn)高達(dá)961℃，將不會(huì)產(chǎn)生熔點(diǎn)小于300℃的軟釬焊連層中出現(xiàn)的典型疲勞效應(yīng)，具有極高的可靠性，且其燒結(jié)溫度和傳統(tǒng)軟釬焊料溫度相當(dāng)。

國(guó)外銀燒結(jié)技術(shù)已經(jīng)由微米銀燒結(jié)進(jìn)入納米銀燒結(jié)階段，善仁新材緊跟時(shí)代潮流，推出了AS9300系列低溫?zé)Y(jié)納米銀系列產(chǎn)品，此系列納米銀燒結(jié)與微米銀燒結(jié)技術(shù)相比連接溫度和輔助壓力均有明顯下降，極大擴(kuò)大了工藝的使用范圍。在銀燒結(jié)技術(shù)中，為了防止氧化和提高氧化層的可靠性，善仁新材建議：需要在基板裸銅表面先鍍鎳再鍍金或鍍銀，同時(shí)燒結(jié)溫度控制和壓力控制也是影響模組質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

銀燒結(jié)技術(shù)在國(guó)外發(fā)展遇到的主要問(wèn)題是：銀燒結(jié)技術(shù)所用的納米銀成本遠(yuǎn)高于焊膏，銀漿成本隨著銀顆粒尺寸的減小而增加，同時(shí)基板銅層的貴金屬鍍層也增加了成本;銀燒結(jié)技術(shù)需要一定的輔助壓力，高輔助壓力易造成芯片的損傷;銀燒結(jié)預(yù)熱、燒結(jié)整個(gè)過(guò)程長(zhǎng)達(dá)60分鐘以上，生產(chǎn)效率較低;銀燒結(jié)技術(shù)得到的連接層，其內(nèi)部空洞一般在微米或者亞微米級(jí)別，目前尚無(wú)有效的檢測(cè)方法。

隨著汽車的電子化和EV、HEV的實(shí)用化以及SiC/GaN器件的亮相等，車載功率半導(dǎo)體正在走向多樣化。比如，不僅是單體的功率MOSFET，將控制IC(電路)一體化了的IPD(IntelligentPowerDevice)也面世且品種不斷增加。多樣化了的車載功率半導(dǎo)體，尤其是EV和HEV用車載功率半導(dǎo)體的耗電量不斷增加，善仁新材認(rèn)為：為了應(yīng)對(duì)這個(gè)問(wèn)題，就要求封裝實(shí)現(xiàn)(1)低電阻、(2)高散熱、(3)高密度封裝。而燒結(jié)銀AS9300系列正是解決這一難題的關(guān)鍵技術(shù)。

綜上所述，瑕不掩瑜，善仁新材認(rèn)為：壓力，溫度和時(shí)間是燒結(jié)質(zhì)量的主要影響因素，鍍層類型和質(zhì)量，芯片面積大小和燒結(jié)氣氛保護(hù)也是需要考慮的重要因素。善仁新材相信隨著以SiC 為住的寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用場(chǎng)景的擴(kuò)大時(shí)，燒結(jié)銀技術(shù)將得到更為廣泛的應(yīng)用和推廣。

審核編輯：湯梓紅