功率模块纳米银烧结技术研究进展

作者：官紫妍1，吴丰顺1，周龙早1，李可为2，丁立国2，李学敏2

纳米银烧结技术是一种利用纳米银膏在较低的温度下，加压或不加压实现的耐高温封装连接技术，烧结温度远低于块状银的熔点。纳米银膏中有机成分在烧结过程中分解挥发，最终形成银连接层。纳米银烧结接头可以满足第三代半导体功率模块封装互连低温连接、高温服役的要求，在功率器 件制造过程中已有大量应用。本文将对纳米银烧结技术互连材料和工艺的研究进展进行综述，为纳米银烧结技术在功率器件和模块中的研究与应用提供参考。

1.1 银颗粒尺寸与形状对互连质量的影响

银颗粒是银烧结焊膏的主要材料，其粒径和不同粒径配比会影响烧结后互连层性能。图1为科研工作者针对不同颗粒尺寸的银烧结接头在无压烧结下 的剪切强度影响的研究。从图中可以得出，微米尺寸的银颗粒烧结接头需要通过较高的烧结温度与时间才能获得较好的剪切强度，过高的烧结温度与时间会导致芯片损坏，而纳米尺寸的银颗粒烧结能够实现更低温度条件下的大面积键合。将纳米银颗粒和微米银或亚微米银颗粒混合的复合焊膏具有明显的工艺优势和优异的性能，有能力进一步应用于下一代功率器件互连。

为解决纳米银膏烧结后烧结层塑性较差、应力大、易产生裂纹等问题，Li等制备了由50 nm和 1 μm银颗粒混合而成的高塑性因子复合焊膏，改善了烧结层塑性。这是因为微米银颗粒表现出稳定的弹性变形和较大的塑性变形，而纳米银颗粒表现出不连续变形，表现出轻微的滑移变形行为。

银烧结浆料是常用的功率器件互连材料，然而，纳米银烧结接头孔隙率大，抗电迁移性能和润湿性较差，且高温服役环境时，互连材料之间热膨 胀系数和杨氏模量失配，层间热应力较大。为改善银烧结的连接强度和高温可靠性，近年出现尝试使用复合颗粒实现高质量互连的研究。

在纳米银焊膏内添加其他颗粒可以改善烧结接头的导热和导电性能。Lu等使用Ag包覆SiC颗粒部分替代纳米银颗粒，SiC颗粒质量分数为1.5%的样品 在260 ℃无压烧结20 min后，热导率可达66 Wm-1K-1，是不含SiC颗粒样品的2倍以上。Yu等在纳米银颗粒上化学镀Sn，制备了Ag-Sn纳米复合焊膏，与纳米银焊膏相比，复合焊膏接头的剪切强度显著增强，且具有更低的电阻率。

针对纳米银烧结接头孔隙率大和润湿性差的问题，Yang等研究表明添加In可以显著降低接头孔隙率，烧结接头和基板之间的润湿性显著提高。这是 因为烧结接头中的Ag-In IMC和Ag-In固溶体能抑制孔隙粗化，防止高温服役中Cu基板的氧化。

为改善银烧结接头高温可靠性，Hu等将SiC颗粒添加至纳米银焊膏中，当SiC添加量过大时，烧结接头产生了许多缺陷，严重恶化了烧结接头的力学 性能。SiC添加量适当时，烧结接头的高温稳定性显著提高，接头的力学性能略微下降。因为在热时效中，嵌入烧结接头中的 SiC 颗粒可以将烧结 Ag 团聚体固定在一起，维持了多孔 Ag 的原始形貌，抑制了 Ag 晶粒生长和粗化。这样即使在恶劣的环境下，烧结 Ag 的粗化也可以限制在可接受的速率，并防止了孔洞和裂纹的产生。

使用热膨胀系数与基板和芯片相近的焊膏可以降低层间热应力，使用低杨氏模量焊膏烧结可以形成柔性互连层，避免互连层出现疲劳裂纹。因此可 以通过添加合适材料参数的颗粒调节互连层的热膨胀系数和杨氏模量，进而获得高质量的烧结接头。Schmitt等在烧结银浆料中将10%的Ag颗粒替换为Ag 包覆Ni或Mo颗粒，降低了焊料层的热膨胀系数和杨氏模量，烧结接头经过2500次热循环后没有观察到可见的分层。

对于大功率模块，散热和高温可靠性是必须解决的关键问题，陶瓷基板是功率模块中常用的材料，主要包括直接覆铜基板（DBC）、活性金属钎焊（AMB）和直接覆铝基板（DBA）等。

DBA的金属底板材料Al具有高抗热震性和低的物理质量，更适合于高温应用。Chen等在-50~250 ℃范围内，通过热冲击测试评估了DBA 和DBC基板的热循环寿命，DBA基板烧结接头具有更好的高温可靠性，这与断裂机制有关。图2显示了在热循环前后，镀Au的DBA和DBC衬底上Ag烧结体连接的界面演化和断裂模式。在DBA上，初始 Ag-Au接头扩散层与烧结银层之间的弱界面结合线发生断裂，如图2(a)所示；热循环后在烧结银层内部 发生断裂，由于Al的变形，可能伴随着水平裂纹，如图2(b)所示。DBC上初始Ag-Au结构断裂模式与DBA 相似，如图2(c)所示；经过250次热循环后，界面发生分层，如图2(d)所示。

2.1 工艺条件对互连质量的影响

适当提高烧结温度、高温下的保温时间和升温速率可以获得更高强度的烧结接头，纳米银颗粒的烧结是由焊膏中有机物的蒸发控制的，更高的温 度、保温时间和升温速率可以让有机物蒸发更快，获得更好的烧结接头。但过高的温度、升温速率和过长的保温时间会导致晶粒粗化，过大的升温速率会导致焊膏中有机物迅速蒸发，从而产生空洞和裂纹等缺陷，影响连接强度和服役可靠性。

纳米银焊膏常用的烧结气氛为空气、氮气和甲酸。烧结气氛中一定含量的氧可以激活焊膏中有机物的降解，促进银颗粒之间的连接和缩颈，从而有 利于剪切强度的提高。但烧结气氛中的氧含量过高时，Cu基板表面易生成氧化物。Kim等将SiC芯片/纳米银浆料/Cu基板在空气和氮气中230 ℃烧结，研究发现，在空气中烧结时，纳米银接头剪切强度为3 MPa，烧结银界面出现粘连破坏；在氮气中烧结可使纳米银接头剪切强度提高到约9 MPa，断裂界面在烧结银内部。ROH M H等对比了在N2和甲酸气氛下，在不同基材上无压烧结（温度300 ℃、持续 60 min）后的接头剪切强度，N2和甲酸气氛下Cu基板接头的剪切强度分别为10.4 MPa和11.2 MPa，这说明甲酸气氛可以用于减少铜表面的氧化物。

此外在40~175 ℃、500 h的热循环试验中评估了不同芯片贴装速度和深度银烧结接头的高温可靠性。当芯片贴装速度较慢时，经过热循环后芯片边 缘区域出现裂纹扩展，导致剪切强度迅速下降。当芯片贴装速度较快时，烧结接头表现出良好的高温可靠性。

由此可得，尽管不同样品的烧结工艺相同，但芯片贴装条件不同，烧结接头可靠性存在显著差异，选取合适工艺条件与参数是实现高质量银烧结接头的关键。

2.2 金属化层对互连质量的影响

Ag是在银烧结中常用的镀层，由于银焊膏和镀 Ag层的化学性质和晶格常数相同，因此在烧结过程中银焊膏更容易与镀Ag层结合，能够获得较大的剪切强度，在热时效过程中发生多次再烧结，烧结界面连接率变化不大，具有良好的高温可靠性。

Ni是常用的低成本镀层，具有较低的扩散率和反应速率，通常在DBC基板上作为阻挡层减缓原子间相互扩散，几乎可以忽略金属间化合物的形成问 题，故在Ni金属化基板上实现银烧结连接具有重要意义，然而Ni在高温下易氧化，使得接头在高温服役时剪切强度迅速下降。Wang等研究了一种在空气中无压烧结银键合Ni金属化基板的互连方法，将纳米银颗粒、亚微米银颗粒和微米银颗粒混合烧结获得了40 MPa以上的剪切强度。这种强结合是因为三模态银颗粒紧密堆积，Ag-Ni界面处有足够的金属键，有助于有机物的分解和气体的排出，有效防止了Ni的氧化。

与其他金属化层相比，Au的高温可靠性较低且价格较高，但在电极、Si/SiC晶圆和印刷电路板（PCB）等电子器件中，Au表面处理可以使PCB不受环境温度和湿度的影响，在多次回流中具有优异 的抗氧化性能，Au金属化是芯片背面和基板的不可避免的选择。因此，在高温应用中实现银烧结连接功率模块的Au表面加工基板引起了广泛研究，当前研究主要有两种提高银烧结在Au表面加工基板上的连接质量的方法。

第二种方法是增加基板上Au层的初始厚度。Zhang等[28]对比了不同厚度Au层上银烧结的结合强度，Au层厚度从0.3 μm增加到0.8 μm时，剪切强度由14.9 MPa上升至30.6 MPa。这是因为较厚的Au层通常具有较大的Au晶粒，从而具有较少的晶界扩散，在界面处可以形成牢固的结合。

2.3 银应力迁移键合

Oh C等提出了一种银应力迁移键合的互连方法：在基板和芯片上溅射一层Ag薄膜后在250℃左右的温度下烧结，由于热膨胀系数失配产生了残余应 力，Ag薄膜中银原子在应力梯度驱动下迁移，银原子的扩散导致Ag薄膜上形成小丘。随着烧结时间的增加，小丘长大导致异常Ag晶粒生长，使结合界面面积增大，从而实现Ag膜之间的固相结合，如图5所示。

已有研究表明，形成小丘应力是实现银应力迁移键合的驱动力，因此可以通过选用合适的互连材料实现高强度、长寿命、稳定的银应力迁移键合。然而，大应力迁移是孔洞的来源，Kunimune T等[30]在Ag薄膜和基板之间插入热膨胀系数介于基板和Ag 薄膜之间的Pt金属层，松弛了薄膜应力，从而减少应力迁移，也作为扩散屏障防止基底界面的过度孔洞生长和聚集。

Chen等研究证实，固体多孔银结构也可以为应力迁移机制提供驱动力，利用银的多孔结构来实现界面结合与山丘生长。与烧结银膏和银应力迁移键合不同的是，固体多孔银的厚度可以控制且不受限制，且具有更大的键合面积。图6为制备固体多孔银结构的工艺流程，制备所得的两个固体多孔银结构之间的界面实现了结合。

1）可以通过更换基板焊料层组配降低热应力，掺杂其他颗粒改善烧结接头孔隙率大、润湿性差和高温可靠性差等问题，但关于改善接头抗电迁移性 能的研究较少。

2）无压烧结工艺可以获得良好连接的烧结接头，但获得孔隙率合格的烧结接头所需烧结时间较长，不利于工业应用，应研发短时间低温无压烧结工艺。

4）研发具有优秀散热能力的封装结构，固晶结构中焊料层应具有良好的高温可靠性，提高功率模块的使用寿命。