作者：官紫妍1，吳豐順1，周龍早1，李可為2，丁立國2，李學(xué)敏2

納米銀燒結(jié)技術(shù)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(shù)，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(dǎo)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(yīng)用。本文將對納米銀燒結(jié)技術(shù)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(shù)在功率器件和模塊中的研究與應(yīng)用提供參考。

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(dǎo)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?fù)合焊膏具有明顯的工藝優(yōu)勢和優(yōu)異的性能，有能力進一步應(yīng)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(yīng)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?fù)合焊膏，改善了燒結(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。

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(yīng)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(fù)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(dǎo)熱和導(dǎo)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(dǎo)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(xué)鍍Sn，制備了Ag-Sn納米復(fù)合焊膏，與納米銀焊膏相比，復(fù)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(dāng)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(xué) 性能。SiC添加量適當(dāng)時，燒結(jié)接頭的高溫穩(wěn)定性顯著提高，接頭的力學(xué)性能略微下降。因為在熱時效中，嵌入燒結(jié)接頭中的 SiC 顆粒可以將燒結(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(yīng)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2500次熱循環(huán)后沒有觀察到可見的分層。

對于大功率模塊，散熱和高溫可靠性是必須解決的關(guān)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。

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(yīng)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(guān)。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(gòu)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。

2.1 工藝條件對互連質(zhì)量的影響

適當(dāng)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(dǎo)致晶粒粗化，過大的升溫速率會導(dǎo)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。

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(dāng)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(dǎo)致剪切強度迅速下降。當(dāng)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(guān)鍵。

2.2 金屬化層對互連質(zhì)量的影響

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(xué)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(yīng)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(yīng)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(dāng)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(yīng)力遷移鍵合

Oh C等提出了一種銀應(yīng)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(yīng) 力，Ag薄膜中銀原子在應(yīng)力梯度驅(qū)動下遷移，銀原子的擴散導(dǎo)致Ag薄膜上形成小丘。隨著燒結(jié)時間的增加，小丘長大導(dǎo)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(yīng)力是實現(xiàn)銀應(yīng)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(yīng)力遷移鍵合。然而，大應(yīng)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(yīng)力，從而減少應(yīng)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(gòu)也可以為應(yīng)力遷移機制提供驅(qū)動力，利用銀的多孔結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)界面結(jié)合與山丘生長。與燒結(jié)銀膏和銀應(yīng)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(gòu)的工藝流程，制備所得的兩個固體多孔銀結(jié)構(gòu)之間的界面實現(xiàn)了結(jié)合。

1）可以通過更換基板焊料層組配降低熱應(yīng)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(guān)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(yīng)用，應(yīng)研發(fā)短時間低溫?zé)o壓燒結(jié)工藝。

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