碳化矽半導體封裝核心技術分析——銀燒結技術

2021-01-08 新思界網

碳化矽晶片可在300℃以上穩定工作,預計模塊結溫將達到175-200℃。傳統功率模塊中,晶片通過軟釺焊接到基板上,連接界面一般為兩相或三相合金系統,在溫度變化過程中,連接界面通過形成金屬化合物層使晶片、軟釺焊料合金及基板之間形成互聯。

目前電子封裝中常用的軟釺焊料為含鉛釺料或無鉛釺料,其熔點基本在300℃以下,採用軟釺焊工藝的功率模塊結溫一般低於150℃,當應用於溫度為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。根據RoHS指令要求,由於鉛具有毒性,會對環境和人體健康產生危害,已在電子產品中禁止使用含鉛釺料。

銀燒結技術也被稱為低溫連接技術,是最為適合於寬禁半導體模塊封裝的界面連接技術之一,是碳化矽模塊封裝中的關鍵技術,也是目前應用最為廣泛的技術。與傳統連接方式相比,銀燒結技術具有以下幾方面的優勢:燒結連接層成分為銀,具有優異的導電和導熱性能;由於銀的熔點高達961℃,將不會產生熔點小於300℃的軟釺焊連接層中出現的典型疲勞效應,具有極高的可靠性;所用燒結材料具有和傳統軟釺焊料相近的燒結溫度;燒結料不含鉛,屬於環境友好型材料。

根據新思界產業研究中心公布的《2018-2022年全球銀燒結技術發展現狀與投資機遇》報告顯示,晶片與基板的耐高溫、低成本連接技術和可靠性的問題是目前第三代半導體材料模塊封裝的關鍵技術。

我國第三代半導體模塊耐高溫連接技術以高溫無鉛釺料封裝連接為主,主要的釺料有鋅基高溫釺料、金基高溫釺料、Bi-Ag基釺料和Sn-Sb基釺料。高溫無鉛釺料雖然製備工藝簡單,適應性強,但連接溫度高於使用溫度,熱穩定性差,同時高溫釺料的工藝特性(潤溼性)與力學性能(強度)、物理性能(導熱性與導電性)、熱穩定性難以兼顧。國內使用高溫無鉛釺料主要為SnAg(96.5:3.5)和SnAgCu(96.5:3:0.5),熔點為221℃和217℃。

國內通過提高釺料本身的耐高溫能力來提升釺焊接頭的耐溫能力,從而解決高溫功率器件封裝問題是困難的,目前國內開發的高溫無鉛釺料使用溫度均不超過350℃,這與新一代功率晶片所能達到的工作溫度500-1000℃相比差距較大。

國外研究的第三代半導體連接技術有銀低溫燒結連接技術、固液互擴散連接(SLD)和瞬時液相燒結連接(TLPS),其中銀燒結技術是目前國外第三代半導體封裝技術中發展最為成熟、應用最為廣泛的技術,美國、日本等碳化矽模塊生產企業均採用此技術。與高溫無鉛釺料相比,銀燒結技術燒結連接層成分為銀,具有優異的導電和導熱性能,由於銀的熔點高達961℃,將不會產生熔點小於300℃的軟釺焊連層中出現的典型疲勞效應,具有極高的可靠性,且其燒結溫度和傳統軟釺焊料溫度相當。

相比焊接模塊,銀燒結技術對模組結構、使用壽命、散熱產生了重要影響,採用銀燒結技術可使模塊使用壽命提高5-10倍,燒結層厚度較焊接層厚度薄60-70%,熱傳導率提升3倍,國外廠商把銀燒結技術作為第三代半導體封裝的核心技術,銀燒結技術成為晶片與基板之間連接的不二選擇,同時在此基礎上開發出雙面銀燒結技術,將銀帶燒結在晶片正面代替了鋁線,或取消底板將基板直接燒結在散熱器上,大大簡化了模塊封裝的結構。

新思界產業研究員認為,國外銀燒結技術已經由微米銀燒結進入納米銀燒結階段,納米銀燒結與微米銀燒結技術相比連接溫度和輔助壓力均有明顯下降,極大擴大了工藝的使用範圍。在銀燒結技術中,為了防止氧化和提高氧化層的可靠性,需要在基板裸銅表面先鍍鎳再鍍金或鍍銀,同時燒結溫度控制和壓力控制也是影響模組質量的關鍵因素。

銀燒結技術在國外發展遇到的主要問題是:銀燒結技術所用的銀漿成本遠高於焊膏,銀漿成本隨著銀顆粒尺寸的減小而增加,同時基板銅層的貴金屬鍍層也增加了成本;銀燒結技術需要一定的輔助壓力,高輔助壓力易造成晶片的損傷;銀燒結預熱、燒結整個過程長達60分鐘以上,生產效率較低;銀燒結技術得到的連接層,其內部空洞一般在微米或者亞微米級別,目前尚無有效的檢測方法。

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