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

時間:2024-08-28點擊次數(shù):9524

    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(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。

 

 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銀粉顆粒進(jìn)行燒結(jié)實現(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加入有機(jī)添加劑,避免微米級的銀粉顆粒發(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,在氧氣環(huán)境中銀粉中的有機(jī)添加劑會因高溫分解而揮發(fā),終變成純銀連接層,不會產(chǎn)生雜質(zhì)相。整個燒結(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)大的輔助壓力會對芯片產(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)動力越大。外界對系統(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。

 

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,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(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。

 

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)試驗表明,無底板功率模塊壽命提升達(dá)2個數(shù)量級,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),能夠為行業(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。

 

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

    皓越科技針對市場需求,不斷研發(fā),改進(jìn)技術(shù),推出性能優(yōu)異的燒結(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)、銷售電爐為一體的先進(jìn)性技術(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。

 

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