银烧结技术在功率模块封装中的应用

烧结银技术在碳化硅封装中的技术分析

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，纳米银烧结技术受到了越来越多研究者的关注。

低温烧结银互连技术

上世纪90年代初，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。

银烧结技术在功率模块封装中的应用

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。

国外银烧结技术已经由微米银烧结进入纳米银烧结阶段，善仁新材紧跟时代潮流，推出了AS9300系列低温烧结纳米银系列产品，此系列纳米银烧结与微米银烧结技术相比连接温度和辅助压力均有明显下降，极大扩大了工艺的使用范围。在银烧结技术中，为了防止氧化和提高氧化层的可靠性，善仁新材建议：需要在基板裸铜表面先镀镍再镀金或镀银，同时烧结温度控制和压力控制也是影响模组质量的关键因素。

银烧结技术在国外发展遇到的主要问题是：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，目前尚无有效的检测方法。

随着汽车的电子化和EV、HEV的实用化以及SiC/GaN器件的亮相等，车载功率半导体正在走向多样化。比如，不仅是单体的功率MOSFET，将控制IC(电路)一体化了的IPD(IntelligentPowerDevice)也面世且品种不断增加。多样化了的车载功率半导体，尤其是EV和HEV用车载功率半导体的耗电量不断增加，善仁新材认为：为了应对这个问题，就要求封装实现(1)低电阻、(2)高散热、(3)高密度封装。而烧结银AS9300系列正是解决这一难题的关键技术。

综上所述，瑕不掩瑜，善仁新材认为：压力，温度和时间是烧结质量的主要影响因素，镀层类型和质量，芯片面积大小和烧结气氛保护也是需要考虑的重要因素。善仁新材相信随着以SiC 为住的宽禁带半导体的应用场景的扩大时，烧结银技术将得到更为广泛的应用和推广。

审核编辑：汤梓红