摘 要

大功率器件工作時產(chǎn)熱量大，如果不能及時導出將嚴重降低互連層的性能，從而影響功率模塊性能 和可靠性。納米銀燒結(jié)技術可以實現(xiàn)低溫連接、高溫服役的要求，且具有優(yōu)秀的導熱導電性能和高溫可靠性，已成為近幾年功率模塊封裝互連材料的研究熱點。歸納總結(jié)并對比分析了近年來關于納米銀燒結(jié)的研究，探討了影 響納米銀燒結(jié)接頭初始剪切強度的工藝參數(shù)以及高溫長期可靠性問題，評述了納米銀燒結(jié)的新技術和發(fā)展趨勢。

0 引言

以SiC、GaN為主的寬禁帶半導體材料具有高 擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密 度、高遷移率、可承受大功率等特點，非常適合 制作應用于高頻、高壓、高溫等應用場合的功率模 塊，且有助于電力電子系統(tǒng)的效率和功率密度的提升。功率密度的提高及器件小型化等因素使熱量的 及時導出成為保證功率器件性能及可靠性的關鍵。作為界面散熱的關鍵通道，功率模塊封裝結(jié)構中連 接層的高溫可靠性和散熱能力尤為重要。表1列出了 各種耐高溫互連材料的主要性能，可以發(fā)現(xiàn)納米銀 互連在使用溫度和接頭性能方面優(yōu)勢突出。

納米銀燒結(jié)技術是一種利用納米銀膏在較低 的溫度下，加壓或不加壓實現(xiàn)的耐高溫封裝連接 技術，燒結(jié)溫度遠低于塊狀銀的熔點。納米銀膏中 有機成分在燒結(jié)過程中分解揮發(fā)，最終形成銀連接 層。納米銀燒結(jié)接頭可以滿足第三代半導體功率模 塊封裝互連低溫連接、高溫服役的要求，在功率器 件制造過程中已有大量應用。本文將對納米銀燒結(jié)技 術互連材料和工藝的研究進展進行綜述，為納米銀燒 結(jié)技術在功率器件和模塊中的研究與應用提供參考。

1 互連材料研究進展

1.1 銀顆粒尺寸與形狀對互連質(zhì)量的影響

銀顆粒是銀燒結(jié)焊膏的主要材料，其粒徑和不 同粒徑配比會影響燒結(jié)后互連層性能。圖1為科研工 作者針對不同顆粒尺寸的銀燒結(jié)接頭在無壓燒結(jié)下 的剪切強度影響的研究。從圖中可以得出，微米 尺寸的銀顆粒燒結(jié)接頭需要通過較高的燒結(jié)溫度與 時間才能獲得較好的剪切強度，過高的燒結(jié)溫度與 時間會導致芯片損壞，而納米尺寸的銀顆粒燒結(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)更低溫度條件下的大面積鍵合。將納米銀顆 粒和微米銀或亞微米銀顆?；旌系膹秃虾父嗑哂忻?顯的工藝優(yōu)勢和優(yōu)異的性能，有能力進一步應用于 下一代功率器件互連。

為解決納米銀膏燒結(jié)后燒結(jié)層塑性較差、應力 大、易產(chǎn)生裂紋等問題，Li等制備了由50 nm和 1 μm銀顆?；旌隙傻母咚苄砸蜃訌秃虾父啵纳?了燒結(jié)層塑性。這是因為微米銀顆粒表現(xiàn)出穩(wěn)定的 彈性變形和較大的塑性變形，而納米銀顆粒表現(xiàn)出 不連續(xù)變形，表現(xiàn)出輕微的滑移變形行為。

除了銀顆粒的尺寸，近年有研究發(fā)現(xiàn)其形狀也 會影響燒結(jié)后互連層性能。Wang等采用熱沖擊試 驗方法，研究了片狀銀和球形銀兩種不同形狀銀顆 粒在低溫無壓燒結(jié)條件下的長期可靠性。燒結(jié)后片 狀銀燒結(jié)接頭孔洞較大，熱沖擊后界面分層，剪切 強度迅速下降；而球形銀燒結(jié)接頭連接牢固，組織 致密，1 000次熱沖擊后仍有20 MPa以上的剪切強 度。這說明球形銀相比片狀銀具有更好的燒結(jié)質(zhì)量 和可靠性。

1.2 復合顆粒對互連質(zhì)量的影響

銀燒結(jié)漿料是常用的功率器件互連材料，然 而，納米銀燒結(jié)接頭孔隙率大，抗電遷移性能和潤 濕性較差，且高溫服役環(huán)境時，互連材料之間熱膨 脹系數(shù)和楊氏模量失配，層間熱應力較大。為改善 銀燒結(jié)的連接強度和高溫可靠性，近年出現(xiàn)嘗試使 用復合顆粒實現(xiàn)高質(zhì)量互連的研究。

在納米銀焊膏內(nèi)添加其他顆?？梢愿纳茻Y(jié)接 頭的導熱和導電性能。Lu等使用Ag包覆SiC顆粒部 分替代納米銀顆粒，SiC顆粒質(zhì)量分數(shù)為1.5%的樣品 在260 ℃無壓燒結(jié)20 min后，熱導率可達66 Wm-1K-1， 是不含SiC顆粒樣品的2倍以上。Yu等在納米銀顆 粒上化學鍍Sn，制備了Ag-Sn納米復合焊膏，與納米 銀焊膏相比，復合焊膏接頭的剪切強度顯著增強， 且具有更低的電阻率。

針對納米銀燒結(jié)接頭孔隙率大和潤濕性差的問 題，Yang等研究表明添加In可以顯著降低接頭孔隙 率，燒結(jié)接頭和基板之間的潤濕性顯著提高。這是 因為燒結(jié)接頭中的Ag-In IMC和Ag-In固溶體能抑制 孔隙粗化，防止高溫服役中Cu基板的氧化。

為改善銀燒結(jié)接頭高溫可靠性，Hu等將SiC顆 粒添加至納米銀焊膏中，當SiC添加量過大時，燒結(jié) 接頭產(chǎn)生了許多缺陷，嚴重惡化了燒結(jié)接頭的力學 性能。SiC添加量適當時，燒結(jié)接頭的高溫穩(wěn)定性顯 著提高，接頭的力學性能略微下降。因為在熱時效 中，嵌入燒結(jié)接頭中的SiC顆?？梢詫Y(jié)Ag團聚體 固定在一起，維持了多孔Ag的原始形貌，抑制了Ag 晶粒生長和粗化。這樣即使在惡劣的環(huán)境下，燒結(jié) Ag的粗化也可以限制在可接受的速率，并防止了孔洞和裂紋的產(chǎn)生。

使用熱膨脹系數(shù)與基板和芯片相近的焊膏可以 降低層間熱應力，使用低楊氏模量焊膏燒結(jié)可以形 成柔性互連層，避免互連層出現(xiàn)疲勞裂紋。因此可 以通過添加合適材料參數(shù)的顆粒調(diào)節(jié)互連層的熱膨 脹系數(shù)和楊氏模量，進而獲得高質(zhì)量的燒結(jié)接頭。Schmitt等在燒結(jié)銀漿料中將10%的Ag顆粒替換為Ag 包覆Ni或Mo顆粒，降低了焊料層的熱膨脹系數(shù)和楊 氏模量，燒結(jié)接頭經(jīng)過2 500次熱循環(huán)后沒有觀察到 可見的分層。

1.3 基板材料對互連質(zhì)量的影響

對于大功率模塊，散熱和高溫可靠性是必須 解決的關鍵問題，陶瓷基板是功率模塊中常用的材 料，主要包括直接覆銅基板（DBC）、活性金屬釬 焊（AMB）和直接覆鋁基板（DBA）等。

DBC和AMB的金屬底板材料均為Cu，但制作工 藝與使用的陶瓷材料不同。DBC是將銅在高溫下與 陶瓷通過共晶鍵合的方式結(jié)合，使用的陶瓷材料主 要為成本較低的Al2O3，但Al2O3的熱導率較低且熱膨 脹系數(shù)較大，不適合長期高溫工作。AMB利用含少 量活性元素的活性金屬焊料實現(xiàn)Cu與陶瓷的連接， 使用的陶瓷材料為熱膨脹系數(shù)與SiC接近的Si3N4， Si3N4具有2.4倍于Al2O3的抗彎強度，在熱循環(huán)中不 易斷裂，大幅度提高了基板的熱性能。Won等將 1 200 V/200 A SiC MOSFET通過銀燒結(jié)連接到Si3N4 AMB基板上，獲得了經(jīng)過1 000次熱時效和熱循環(huán)后 剪切強度為35 MPa以上的燒結(jié)接頭。

DBA的金屬底板材料Al具有高抗熱震性和 低的物理質(zhì)量，更適合于高溫應用。Chen等在-50~250 ℃范圍內(nèi)，通過熱沖擊測試評估了DBA 和DBC基板的熱循環(huán)壽命，DBA基板燒結(jié)接頭具有 更好的高溫可靠性，這與斷裂機制有關。圖2顯示 了在熱循環(huán)前后，鍍Au的DBA和DBC襯底上Ag燒 結(jié)體連接的界面演化和斷裂模式。在DBA上，初始 Ag-Au接頭擴散層與燒結(jié)銀層之間的弱界面結(jié)合線 發(fā)生斷裂，如圖2(a)所示；熱循環(huán)后在燒結(jié)銀層內(nèi)部 發(fā)生斷裂，由于Al的變形，可能伴隨著水平裂紋，如 圖2(b)所示。DBC上初始Ag-Au結(jié)構斷裂模式與DBA 相似，如圖2(c)所示；經(jīng)過250次熱循環(huán)后，界面發(fā) 生分層，如圖2(d)所示。

2 互連工藝研究進展

2.1 工藝條件對互連質(zhì)量的影響

影響納米銀燒結(jié)的工藝參數(shù)主要包括燒結(jié)壓 力、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間、升溫速率和燒結(jié)氣氛。

燒結(jié)壓力可以為燒結(jié)提供驅(qū)動力，促進銀顆粒間的機械接觸、頸生長和銀漿料與金屬層間的相互 擴散反應，有助于消耗有機物排出氣體，使互連層 孔隙更少，從而形成穩(wěn)定致密的銀燒結(jié)接頭。但由 于現(xiàn)有的設備技術原因，高燒結(jié)壓力難以實現(xiàn)自動 化生產(chǎn)，且過高的燒結(jié)壓力會造成芯片的損壞，從 而導致器件可靠性的下降。對于銀顆粒尺寸較小的 焊膏，銀燒結(jié)所需的驅(qū)動力較小，因此可以實現(xiàn)低 溫無壓燒結(jié)。然而，在無壓燒結(jié)工藝中燒結(jié)時間不 足時接頭孔隙率較大，在高于250 ℃下燒結(jié)至少需要 60 min才能形成牢固的連接接頭。

適當提高燒結(jié)溫度、高溫下的保溫時間和升 溫速率可以獲得更高強度的燒結(jié)接頭，納米銀顆粒 的燒結(jié)是由焊膏中有機物的蒸發(fā)控制的，更高的溫 度、保溫時間和升溫速率可以讓有機物蒸發(fā)更快， 獲得更好的燒結(jié)接頭。但過高的溫度、升溫速率和 過長的保溫時間會導致晶粒粗化，過大的升溫速率 會導致焊膏中有機物迅速蒸發(fā)，從而產(chǎn)生空洞和裂 紋等缺陷，影響連接強度和服役可靠性。

納米銀焊膏常用的燒結(jié)氣氛為空氣、氮氣和甲 酸。燒結(jié)氣氛中一定含量的氧可以激活焊膏中有機 物的降解，促進銀顆粒之間的連接和縮頸，從而有 利于剪切強度的提高。但燒結(jié)氣氛中的氧含量過高 時，Cu基板表面易生成氧化物。Kim等將SiC芯片 /納米銀漿料/Cu基板在空氣和氮氣中230 ℃燒結(jié)， 研究發(fā)現(xiàn)，在空氣中燒結(jié)時，納米銀接頭剪切強度 為3 MPa，燒結(jié)銀界面出現(xiàn)粘連破壞；在氮氣中燒結(jié) 可使納米銀接頭剪切強度提高到約9 MPa，斷裂界面 在燒結(jié)銀內(nèi)部。ROH M H等對比了在N2和甲酸氣 氛下，在不同基材上無壓燒結(jié)（溫度300 ℃、持續(xù) 60 min）后的接頭剪切強度，N2和甲酸氣氛下Cu基 板接頭的剪切強度分別為10.4 MPa和11.2 MPa，這說 明甲酸氣氛可以用于減少銅表面的氧化物。

除了燒結(jié)時的工藝參數(shù)，貼片的工藝條件也會影響銀燒結(jié)的連接質(zhì)量。Takemasa等]使用不同的芯 片貼裝速度和深度將Si芯片安裝到印刷銀漿料的Cu 基板后無壓燒結(jié)，研究了芯片貼裝速度和深度對銀 燒結(jié)接頭的影響。當貼片速度快時，銀膏層均勻， 空洞較少，如圖3(a)和圖3(b)所示，但當貼片深度 達60 μm時，部分銀膏被擠出，互連層殘余銀膏較 少，如圖3(c)所示。當貼片速度較慢時，X-ray難以 穿過銀密度較高的區(qū)域，芯片對角線上X-ray圖像變 暗，呈現(xiàn)出深色的十字，如圖3(d)~圖3(f)所示。隨著 貼片深度和空洞數(shù)量的增加，芯片周圍的銀膏體中 出現(xiàn)了許多裂紋。結(jié)果表明，更快的貼片速度和合 適的貼片深度有利于提高銀燒結(jié)的連接質(zhì)量。

此外在40~175 ℃、500 h的熱循環(huán)試驗中評估 了不同芯片貼裝速度和深度銀燒結(jié)接頭的高溫可靠 性。當芯片貼裝速度較慢時，經(jīng)過熱循環(huán)后芯片邊 緣區(qū)域出現(xiàn)裂紋擴展，導致剪切強度迅速下降。當 芯片貼裝速度較快時，燒結(jié)接頭表現(xiàn)出良好的高溫 可靠性。

由此可得，盡管不同樣品的燒結(jié)工藝相同， 但芯片貼裝條件不同，燒結(jié)接頭可靠性存在顯著差 異，選取合適工藝條件與參數(shù)是實現(xiàn)高質(zhì)量銀燒結(jié) 接頭的關鍵。

2.2 金屬化層對互連質(zhì)量的影響

銀燒結(jié)互連質(zhì)量取決于燒結(jié)過程中原子間擴散 產(chǎn)生的界面連接，通常采用基板表面金屬化提高連 接質(zhì)量，不同金屬化層基板的燒結(jié)質(zhì)量有所差異。Chen等[25]研究了Au、Ag和Ni金屬化的銀燒結(jié)連接結(jié) 構的高溫可靠性，時效1 000 h后，Au、Ni金屬化接 頭的芯片剪切強度僅為初始的一半左右，Ag金屬化 接頭具有最好的高溫可靠性。

Ag是在銀燒結(jié)中常用的鍍層，由于銀焊膏和鍍 Ag層的化學性質(zhì)和晶格常數(shù)相同，因此在燒結(jié)過程 中銀焊膏更容易與鍍Ag層結(jié)合，能夠獲得較大的剪 切強度，在熱時效過程中發(fā)生多次再燒結(jié)，燒結(jié)界 面連接率變化不大，具有良好的高溫可靠性。

Ni是常用的低成本鍍層，具有較低的擴散率和反應速率，通常在DBC基板上作為阻擋層減緩原子 間相互擴散，幾乎可以忽略金屬間化合物的形成問 題，故在Ni金屬化基板上實現(xiàn)銀燒結(jié)連接具有重要 意義，然而Ni在高溫下易氧化，使得接頭在高溫服 役時剪切強度迅速下降。Wang等研究了一種在空 氣中無壓燒結(jié)銀鍵合Ni金屬化基板的互連方法，將 納米銀顆粒、亞微米銀顆粒和微米銀顆?；旌蠠Y(jié) 獲得了40 MPa以上的剪切強度。這種強結(jié)合是因為 三模態(tài)銀顆粒緊密堆積，Ag-Ni界面處有足夠的金屬鍵，有助于有機物的分解和氣體的排出，有效防止 了Ni的氧化。

與其他金屬化層相比，Au的高溫可靠性較低 且價格較高，但在電極、Si/SiC晶圓和印刷電路板 （PCB）等電子器件中，Au表面處理可以使PCB不 受環(huán)境溫度和濕度的影響，在多次回流中具有優(yōu)異 的抗氧化性能，Au金屬化是芯片背面和基板的不可 避免的選擇。因此，在高溫應用中實現(xiàn)銀燒結(jié)連接 功率模塊的Au表面加工基板引起了廣泛研究，當前 研究主要有兩種提高銀燒結(jié)在Au表面加工基板上的連接質(zhì)量的方法。

第一種方法是在燒結(jié)前對Au表面進行預熱處 理。研究表明，與未進行預熱的Au金屬化組織相 比，在250 ℃預熱后燒結(jié)接頭剪切強度從15 MPa提 高到25 MPa。這是因為預熱處理改善了Ni/Au鍍層的 微觀結(jié)構。圖4為Au層未預熱和250 ℃預熱銀燒結(jié)接 頭界面的掃描電鏡（SEM）圖像，在未預熱時，Au 層擴散至燒結(jié)銀時產(chǎn)生單向拉應力，導致Au與Ni的 界面處形成大量空洞，在燒結(jié)過程中形成Ag-Au固 溶體。在250 ℃預熱后，Au和Ni層界面處未出現(xiàn)空 洞，Ag-Au固溶體未形成，Au層與燒結(jié)銀之間的界 面結(jié)合良好，由于Cu基板、Ni鍍層和Au鍍層之間熱 膨脹系數(shù)存在差異，在預熱過程中產(chǎn)生壓縮應力導 致晶粒缺陷消失。但預熱溫度過高時，Ni擴散至Au 表面生成粗糙的NiO層，阻礙了Au和Ag的結(jié)合，導致剪切強度下降。

第二種方法是增加基板上Au層的初始厚度。Zhang等[28]對比了不同厚度Au層上銀燒結(jié)的結(jié)合強 度，Au層厚度從0.3 μm增加到0.8 μm時，剪切強度 由14.9 MPa上升至30.6 MPa。這是因為較厚的Au層通 常具有較大的Au晶粒，從而具有較少的晶界擴散，在界面處可以形成牢固的結(jié)合。

2.3 銀應力遷移鍵合

Oh C等提出了一種銀應力遷移鍵合的互連方 法：在基板和芯片上濺射一層Ag薄膜后在250 ℃左右 的溫度下燒結(jié)，由于熱膨脹系數(shù)失配產(chǎn)生了殘余應 力，Ag薄膜中銀原子在應力梯度驅(qū)動下遷移，銀原 子的擴散導致Ag薄膜上形成小丘。隨著燒結(jié)時間的增 加，小丘長大導致異常Ag晶粒生長，使結(jié)合界面面積 增大，從而實現(xiàn)Ag膜之間的固相結(jié)合，如圖5所示。

已有研究表明，形成小丘應力是實現(xiàn)銀應力遷 移鍵合的驅(qū)動力，因此可以通過選用合適的互連材 料實現(xiàn)高強度、長壽命、穩(wěn)定的銀應力遷移鍵合。然而，大應力遷移是孔洞的來源，Kunimune T等[30] 在Ag薄膜和基板之間插入熱膨脹系數(shù)介于基板和Ag 薄膜之間的Pt金屬層，松弛了薄膜應力，從而減少應 力遷移，也作為擴散屏障防止基底界面的過度孔洞生長和聚集。

Chen等研究證實，固體多孔銀結(jié)構也可以為 應力遷移機制提供驅(qū)動力，利用銀的多孔結(jié)構來實 現(xiàn)界面結(jié)合與山丘生長。與燒結(jié)銀膏和銀應力遷移 鍵合不同的是，固體多孔銀的厚度可以控制且不受 限制，且具有更大的鍵合面積。圖6為制備固體多孔 銀結(jié)構的工藝流程，制備所得的兩個固體多孔銀結(jié) 構之間的界面實現(xiàn)了結(jié)合。

固體多孔銀結(jié)構已成功應用于大面積鍵合，15 mm× 15 mm的Si芯片在300 ℃燒結(jié)得到的剪切強度大于30 MPa， 與應力遷移鍵合技術中得到的剪切強度值相當，且顯 著強于傳統(tǒng)Sn-Pb焊料，電阻率約為7 μΩ·cm，為 無鉛合金焊料的一半。具有較厚連接層的固態(tài)多孔 銀降低了功率模塊中的熱應力，從而提高了結(jié)構可靠性。

3 總結(jié)與展望

使用第三代半導體材料制作的功率模塊適合于 高頻、高壓、高溫等應用場合，這對封裝互連技術 提出了挑戰(zhàn)。納米銀燒結(jié)技術滿足第三代半導體功 率模塊低溫連接，高溫服役的要求，實現(xiàn)了大面積 封裝的可靠互連。本文探討了納米銀燒結(jié)接頭初始 剪切強度的影響因素以及長期高溫可靠性問題，基 于納米銀燒結(jié)技術存在的一系列問題，未來的研究 方向有幾個方面：

1）可以通過更換基板焊料層組配降低熱應力， 摻雜其他顆粒改善燒結(jié)接頭孔隙率大、潤濕性差和 高溫可靠性差等問題，但關于改善接頭抗電遷移性 能的研究較少。

2）無壓燒結(jié)工藝可以獲得良好連接的燒結(jié)接 頭，但獲得孔隙率合格的燒結(jié)接頭所需燒結(jié)時間較 長，不利于工業(yè)應用，應研發(fā)短時間低溫無壓燒結(jié) 工藝。

3）由于不同應用環(huán)境需要，芯片背面和基板表 面通常需做金屬化層，部分金屬化層表面銀燒結(jié)存 在連接強度較低和高溫可靠性較差的問題，應改善 金屬化層表面銀燒結(jié)質(zhì)量。

4）研發(fā)具有優(yōu)秀散熱能力的封裝結(jié)構，固晶結(jié) 構中焊料層應具有良好的高溫可靠性，提高功率模 塊的使用壽命。