关于半导体芯片互连技术“银烧结工艺”的详解；-电子发烧友网

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随着电子产业的发展，电子产品正在向着质量轻、厚度薄、体积小、功耗低、功能复杂、可靠性高这一方向发展。这就要求功率模块在瞬态和稳态情况下都要有良好的导热导电性能以及可靠性。功率模块的体积缩小会引起模块和芯片电流、接线端电压以及输入功率的增大，从而增加了热能的散失，由此带来了一些了问题如温度漂移等，会严重影响功率器件的可靠性，加速器件的老化。为了解决高温大功率器件所面临的问题，近年来，银烧结工艺技术受到了越来越多研究者的关注。

其实，早在20世纪80年代末90年代初期，Scheuermann等研究了一种低温烧结技术，即通过银烧结银颗粒实现功率半导体器件与基板的互连方法。

一、银烧结工艺技术介绍

银烧结技术也被成为低温连接技术，英文全称：Low temperature joining technique，简称：LTJT，而它作为一种新型无铅化芯片互连技术，可在低温（＜250℃）条件下获得耐高温（＞700℃）和高导热率（~240 W/m·K）的烧结银芯片连接界面。同时，银烧结工艺技术也是一种将微米级以下尺寸的银颗粒与有机粘合剂混合形成银膏，然后印刷到基板表面，在高温和特定气氛下加压烧结，使银颗粒之间形成紧密结合的工艺。该工艺能够制备出导电性能良好、热稳定性高的烧结银膜，广泛应用于微电子封装、太阳能电池、LED封装以及柔性电子等领域。

上世纪90年代初，Scheuermann等研究人员通过微米级银粉颗粒进行烧结实现了硅芯片和基板互连，这种烧结技术即为低温烧结技术。在制作银粉的过程中通常会加入有机添加剂，避免微米级的银粉颗粒发生团聚和聚合现象。当烧结温度达到210℃以上时，在氧气环境中银粉中的有机添加剂会因高温分解而挥发，最终变成纯银连接层，不会产生杂质相。整个烧结过程是银粉颗粒致密化的过程，烧结完成后即可形成良好的机械连接层。银本身的熔融高达961℃，烧结过程远低于该温度，也不会产生液相。此外，烧结过程中烧结温度达到230-250℃还需要辅助加压设备提供约40MPa的辅助压力，加快银焊膏的烧结。

该种烧结方法可以得到更好的热电及机械性能，接头空隙率低，热疲劳寿命也超出标准焊料10倍以上。但是随着研究的深入，发现大的辅助压力会对芯片产生一定的损伤，并且需要较大的经济投入，这严重限制了该技术在芯片封装领域的应用。善仁新材最新研究发现：纳米银烧结技术由于纳米尺寸效应，纳米银材料的熔点和烧结温度均低于微米银，烧结温度低于200℃，辅助压力可以低于1-5MPa或者无压，并且连接层仍能保持较高的耐热温度和很好的导热导电能力。烧结过程的驱动力主要来自纳米银体系的表面能和体系的凹陷能，系统中颗粒尺寸越小，其比表面积越大，从而表面能越高，驱动力越大。外界对系统所施加的压力、系统内的化学势差及接触颗粒间的应力也是银原子扩散迁移的驱动力。烧结得到的连接层为多孔结构，空洞尺寸在微米以及纳米级别。当连接层的孔隙率为10%的情况下，其导热及导电率可达到纯银的90%，远高于普通软钎焊料。

二、银烧结工艺技术的原理

银烧结技术是一种对微米级及以下的银颗粒在300℃以下进行烧结，通过原子间的扩散从而实现良好连接的技术。所用的烧结材料的基本成分是银颗粒，根据状态不同，烧结材料一般为银浆（银膏）、银膜，对应的工艺也不同：

1、银浆工艺流程

银浆印刷——预热烘烤——芯片贴片——加压烧结。

2、银膜工艺流程

芯片转印——芯片贴片——加压烧结。

而芯片转印是指将芯片在银膜上压一下，利用芯片锐利的边缘，在银膜上切出一个相同面积的银膜并粘连到芯片背面。

以纳米银浆为例，如下图所示，在烧结过程中，银颗粒通过接触形成烧结颈，银原子通过扩散迁移到烧结颈区域，从而烧结颈不断长大，相邻银颗粒之间的距离逐渐缩小，形成连续的孔隙网络，随着烧结过程的进行，孔洞逐渐变小，烧结密度和强度显著增加，在烧结最后阶段，多数孔洞被完全分割，小孔洞逐渐消失，大空洞逐渐变小，直到达到最终的致密度。烧结得到的连接层为多孔性结构，孔洞尺寸在微米及亚微米级别，连接层具有良好的导热和导电性能，热匹配性能良好。

同时，烧结银烧结时还有两个关键因素：

1、表面自由能驱动。

2、固体表面扩散。

即使是固体，也会进行一些扩散，当两个金属长时间合在一起的时候，一定温度下，扩散会结合在一起的，但时间要足够长。烧结银，就是纳米银颗粒在一定温度和压力烧结情况下，能让银颗粒进行固体之间的扩散，最后就形成这样一个微观的多孔状的结构，因为我们用了烧结银的结构，所以现在主流的碳化硅模块的应用都和我们有相关的银烧结项目。当银烧结工艺技术讲到这里的时候，我觉得有必要跟大家分享一下烧结银材料相关的内容了。

三、烧结银工艺制备流程

烧结银是一种重要的半导体封装和连接材料，其制备工艺涉及多个关键步骤和参数控制。通过优化烧结工艺参数和工艺流程，可以制备出高性能的烧结银材料，满足电子工业对高性能连接材料的需求。所以，烧结银制备的工艺流程就显得尤为重要，以下是通常包括几个关键步骤：

1、材料准备

（1）纳米银粉制备

采用物理或化学方法制备高纯度的纳米银粉，确保银粉颗粒细小且均匀。

（2）烧结银膏/膜制备

将纳米银粉与有机载体混合，通过搅拌、研磨等工艺制备成烧结银膏或烧结银膜。

2、基片处理

对需要进行烧结的基片（如半导体芯片、陶瓷基板等）进行清洗和表面处理，去除表面污染物和氧化物，提高烧结质量。

3、涂布/贴装

将烧结银膏或烧结银膜涂布或贴装在基片表面，形成所需的连接图形或结构。

4、干燥

去除银浆中的有机溶剂，使银颗粒在基板表面形成一层均匀的薄膜。

5、烧结

将涂布或贴装好的基片放入烧结炉中，在真空或特定气氛（如氮气、氢气等）下，进行高温烧结。烧结过程中，纳米银颗粒在表面自由能驱动下发生固态扩散，形成致密的烧结体。烧结温度、时间、气氛等参数需根据具体材料和工艺要求进行优化，以确保烧结质量。

6、后续处理

烧结完成后，对烧结体进行清洗、检测和后续加工（如切割、打磨等），以满足最终产品的要求。

四、烧结银工艺的应用前景

1、微电子封装

烧结银膜作为替代传统焊料的新材料，能够显著降低封装过程中的热应力，提高封装结构的稳定性和可靠性。在3D封装、系统级封装（SiP）等先进封装技术中展现出巨大潜力。

2、LED封装

烧结银膜作为封装材料，不仅提升了LED芯片的散热效率，还通过优化电流分布，增强了LED的光输出均匀性和稳定性。

3、柔性电子

随着可穿戴设备和智能物联网的兴起，烧结银膜因其良好的柔韧性和可弯曲性，成为构建柔性电路和传感器的关键材料。

五、银烧结工艺的分类

银及其合金在电子、电力、航空航天等众多领域具有广泛应用。为了提高银材料的物理和机械性能，常采用烧结工艺进行材料制备。烧结工艺根据施加压力的不同，可分为无压烧结和有压烧结两种。

1、无压银烧结工艺流程

无压烧结，即在烧结过程中不施加外部压力，通过粉末颗粒间的自有力和热运动实现致密化。无压烧结银的工艺流程主要包括以下几个步骤：

（1）粉末制备

采用雾化、还原、电解等方法制备银粉末。粉末的粒度、形貌和纯度对烧结体的性能有重要影响。

（2）粉末混合

将银粉末与添加剂（如烧结助剂、增韧相等）按一定比例混合均匀。混合过程需避免粉末的氧化和污染。

（3）成型

将混合后的粉末填充到模具中，通过冷压、等静压等方式进行预成型。预成型坯体的密度和均匀性对烧结体的最终性能有直接影响。

（4）烧结

将预成型坯体置于烧结炉中，在无压或微压环境下进行加热。烧结温度、时间和气氛需根据银粉末的特性和产品要求进行精确控制。在烧结过程中，粉末颗粒间发生扩散、熔合等物理化学变化，形成具有一定强度和致密度的烧结体。

（5）后处理

烧结后的银制品可能需要进行热处理、机械加工、表面处理等后处理工艺，以进一步提高其性能或满足特定应用需求。

2、有压银烧结工艺流程

有压烧结，即在烧结过程中施加外部压力，以促进粉末颗粒的致密化和形状保持。有压烧结银的工艺流程与无压烧结相似，但在烧结环节存在显著差异。以下是有压烧结银的关键步骤：

（1）粉末制备和混合

与无压烧结相同，有压烧结银也需要进行粉末制备和混合。粉末的特性和混合均匀性对烧结体的性能同样至关重要。

（2）成型

有压烧结银的成型过程通常与烧结过程相结合，即在加热的同时施加压力。这种热压成型的方法有助于提高坯体的密度和均匀性。

（3）热压烧结

将混合后的粉末置于热压模具中，在加热的同时施加单向或双向压力。热压烧结的温度、压力和时间需根据银粉末的特性和产品要求进行精确控制。在热压烧结过程中，粉末颗粒在压力和热力的共同作用下发生塑性变形、扩散和熔合等致密化机制，形成高密度和良好机械性能的烧结体。

（4）后处理

热压烧结后的银制品可能需要进行与无压烧结相似的后处理工艺，如热处理、机械加工和表面处理等。

六、无压银烧结与有压银烧结的区别分析

1、致密化机制

无压烧结主要依靠粉末颗粒间的自有力和热运动实现致密化，而有压烧结则通过外部施加的压力和热力共同作用促进致密化。因此，有压烧结通常能够获得更高密度的烧结体。

2、烧结温度和时间

由于有压烧结在加压的同时进行加热，粉末颗粒间的接触和扩散过程得到加强，因此可以在较低的温度和较短的时间内实现致密化。相比之下，无压烧结通常需要更高的温度和更长的时间。

3、产品性能

由于有压烧结能够获得更高密度的烧结体，并且烧结过程中颗粒间的结合更加紧密，因此有压烧结银制品通常具有更优异的机械性能和电性能。然而，无压烧结在制备复杂形状和大型构件时具有更高的灵活性。

4、设备成本

有压烧结设备通常比无压烧结设备更复杂、更昂贵，因为需要额外的加压系统和模具。此外，有压烧结过程中的压力控制也对设备提出了更高的要求。

所以，无压烧结银和有压烧结银作为两种重要的粉末冶金工艺，在银材料制备领域具有广泛应用。无压烧结具有工艺流程简单、成本低廉、适用于制备复杂形状和大型构件等优点；而有压烧结则能够获得更高密度和更优异性能的烧结体。在实际应用中，应根据产品要求、生产成本和设备条件等因素综合考虑选择合适的烧结工艺。

随着科技的进步和粉末冶金技术的发展，未来无压烧结和有压烧结银工艺将不断改进和优化。例如，通过粉末制备技术的创新，可以获得更细、更均匀、更高纯度的银粉末；通过烧结工艺参数的精确控制和智能化管理，可以实现更高效、更节能、更环保的生产过程；通过新材料的设计和复合化技术的应用，可以开发出具有更高性能、更广泛应用领域的银基复合材料。这些发展将为银材料的制备和应用提供更广阔的空间和机遇。

七、银烧结工艺技术在功率模块封装的应用

随着新一代IGBT芯片及功率密度的进一步提高，对功率电子模块及其封装工艺要求也越来越高。特别是芯片与基板的互连技术，很大程度上决定了功率模块的寿命和可靠性。传统钎焊料熔点低、导热性差，难以满足高功率器件封装及其高温应用要求。而银烧结技术凭借其高导热、高导电以及高可靠性的优势，正逐渐成为功率半导体器件封装的首选。

1、提高功率模块的工作环境温度及使用寿命

在功率半导体器件封装中，散热性能是至关重要的。传统的焊料合金由于其导热性能有限，往往难以满足高功率密度器件的散热需求。而银烧结技术凭借其高导热率，可以有效地将器件工作时产生的热量散发出去，从而提高功率模块的工作环境温度及使用寿命。

2、适应高温SiC器件等宽禁带半导体功率模块

SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）等宽禁带半导体材料具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率等特点，非常适合制作应用于高频、高压、高温等应用场合的功率模块。然而，这些材料对封装的要求也非常高，尤其是对散热和可靠性的要求更加严苛。银烧结技术以其高导热性和高可靠性，特别适合作为高温SiC器件等宽禁带半导体功率模块的芯片互连界面材料。

3、简化模块封装结构

采用银烧结技术可以简化模块封装的结构。例如，可以将银带烧结在芯片正面代替铝线，或取消底板将基板直接烧结在散热器上。这不仅可以降低封装的复杂性，还可以提高封装的可靠性和散热性能。

八、银烧结工艺技术的发展方向

碳化硅芯片可在300℃以上稳定工作，预计模块温度将达到175-200℃。传统功率模块中，芯片通过软钎焊接到基板上，连接界面一般为两相或三相合金系统，在温度变化过程中，连接界面通过形成金属化合物层让芯片、软钎焊料合金及基板之间形成互联。目前电子封装中常用的软钎焊料为含铅钎料或无铅钎料，其熔点基本在300℃以下，采用软钎焊工艺的功率模块结温一般低于150℃，应用于温度为175-200℃甚至200℃以上的情况时，其连接层性能会急剧退化，影响模块工作的可靠性。

为了得到可靠性良好的功率模块，英飞凌在2006年推出了Easypack1的封装形式，分别采用单面银烧结技术和双面银烧结技术。通过相应的高温循环测试发现，相比于传统软钎焊工艺，采用单面银烧结技术的模块寿命提高了5-10倍，而采用双面银烧结技术的模块寿命提高了10倍以上。

之后2007年，赛米控推出了SkinTer技术，芯片和基板之间采用精细银粉银烧结工艺进行连接，在250℃及压力辅助条件下得到低孔隙率银层。相比于钎焊层，功率循环能力提升了2-3倍，烧结层厚度减少约70%，热导率大约提升3倍。2012年，英飞凌推出了XT互联技术，芯片和基板之间采用银烧结技术连接。循环试验表明，无底板功率模块寿命提升达2个数量级，有底板模块寿命提升也在10倍以上。2015年，三菱电机采用银烧结技术制作功率模块，循环寿命是软钎焊料的5倍左右。

作为高可靠的连结技术，烧结银在以SiC为代表的第三代半导体具有良好的应用前景。烧结银银层具有良好的导热性和导电性，高达961度的熔点使其可靠性也大大提高，而烧结温度和传统焊料差不多，并且无铅化对环境特别友好。

国外研究的第三代半导体连接技术有低温烧结银连接技术、固液互扩散连接（SLD）和瞬时液相烧结连接（TLPS），其中低温烧结银技术是目前国外第三代半导体封装技术中发展最为成熟、应用最为广泛的技术，美国、日本等碳化硅模块生产企业均采用此技术。与高温无铅钎料相比，银烧结技术烧结连接层成分为银，具有优异的导电和导热性能，由于银的熔点高达961℃，将不会产生熔点小于300℃的软钎焊连层中出现的典型疲劳效应，具有极高的可靠性，且其烧结温度和传统软钎焊料温度相当。因此，银烧结工艺技术的发展方向个人觉得有以下4点：

1、由于银和SiC芯片背面材料热膨胀系数不同引起的问题，可通过添加金属缓冲层来改善互连性能，但会增加功率模块封装工艺的复杂性和成本。采用满足性能指标和可靠性的烧结层代替缓冲层，成为研发的可行性方案。

2、银层的电迁移现象，不利于功率电子器件长期可靠应用。铜烧结既能满足减少电迁移现象，又能够降低成本，使其成为高温模具连接材料的一种很有前途的替代品。

3、优化烧结工业，创新烧结方案，缩减预热、烧结时长，提升生产效率；流水线工作，提升可制造性和生产设计的灵活性。

4、与无压烧结相比，低压烧结可靠度和散热性能较好。虽然部分厂商已解决压力问题，但是烧结过程中的致密性、连接层的温控和极限环境中性能退化问题还尚待解决。

九、银烧结工艺技术的挑战与前景

尽管银烧结技术在功率半导体器件封装中具有诸多优势，但在实际应用过程中仍面临一些挑战。例如，银烧结技术的工艺参数控制较为严格，需要精确控制烧结温度、压力和时间等参数以确保连接质量。此外，银的成本较高，可能会增加功率模块的生产成本。

同时，银烧结工艺技术在国外的发展也是遇到了很大的挑战：银烧结技术所用的纳米银成本远高于焊膏，银浆成本随着银颗粒尺寸的减小而增加，同时基板铜层的贵金属镀层也增加了成本；银烧结技术需要一定的辅助压力，高辅助压力易造成芯片的损伤；银烧结预热、烧结整个过程长达60分钟以上，生产效率较低；银烧结技术得到的连接层，其内部空洞一般在微米或者亚微米级别，据我个人所知目前他们尚无有效的检测方法，但近几年有否突破，还有待考证。

然而，随着新能源汽车市场的不断扩大和消费者对汽车性能要求的不断提高，功率半导体器件的市场需求也将持续增长。银烧结技术凭借其高导热、高导电以及高可靠性的优势，将在功率半导体器件封装领域发挥越来越重要的作用。同时，随着银纳米颗粒制备技术及其有机物体系合成方面的快速发展，银烧结技术的成本也有望逐渐降低，进一步推动其在功率半导体器件封装领域的广泛应用。

写在最后面的话

银烧结工艺技术作为一种新型的高可靠性连接技术，正在逐渐成为功率半导体器件封装领域的主流选择。凭借其高导热、高导电以及高可靠性的优势，银烧结技术不仅可以提高功率模块的工作环境温度及使用寿命，还可以适应高温SiC器件等宽禁带半导体功率模块的需求，并简化模块封装结构。尽管在实际应用过程中仍面临一些挑战，但随着技术的不断进步和成本的逐渐降低，银烧结技术将在功率半导体器件封装领域发挥越来越重要的作用。