宽禁带半导体新型互连技术——烧结银技术，实现低电阻、高散热和高密度封装

时间： 2023-11-18 来源：阿基米德半导体公众号

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近年来，航天器、可再生能源汽车、高速列车和海底通信电缆等新电子应用的发展加速了对功率器件中更小、更快、更高效的电子封装需求。宽禁带半导体(WBG)由于具有高击穿电压、电流密度和开关频率而引起了广泛关注，其在高温(大于250 ℃)下能够稳定地服役。然而，传统的锡基焊料由于较低的熔点无法满足高温服役的需求。此外，合金中金属间化合物(IMCs)的形成增加了界面的脆性，导致过早失效。因此，更先进的高温芯片互连材料的开发成为了 WBG 器件封装中的一项关键技术挑战。

纳米银焊料作为一种很有前途的芯片互连材料，在高温服役的情况下表现出优异的导热和导电性能，同时具有较低的互连温度，能够满足工业需求。纳米银颗粒尺寸越小表面能越高，能够实现更低温度的互连烧结。

1纳米银颗粒的合成制备

银纳米颗粒的合成

将第一银前驱体、表面活性剂、分散剂、第一还原剂与水混合，经第一还原反应，得到所述银纳米颗粒。

纳米银颗粒示意图

纳米银颗粒表面包含活性剂、粘接剂、分散剂。

银焊膏的混合工艺

首先选取不同的醇、醚和酸并按照不同的质量比配置，在一定的转速下电磁搅拌，静置后得到银焊膏的有机分散剂。然后取银纳米颗粒粉末(85-95 wt%)，烧结助剂(5 wt%,)及有机溶剂(15 wt%)在快速混料机中1500-2000 rpm的转速下进行混膏。

2纳米银焊膏烧结机理

银颗粒固相扩散机理

使用银作为芯片互连材料时，由于其高熔融温度，需要高加热温度和高压力来实现稳定的结合结构，并且难以满足工业工艺的实际需要，银纳米颗粒的出现解决了这一问题。

从图中我们可以注意到，相邻纳米颗粒的颈部生长主要是由扩散引起的。然而，晶界扩散的激活能远低于晶格扩散的激活能量。对于较小的纳米颗粒，晶界的比表面积会更大，烧结温度会更低。

银烧结接头形成机理

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。

银烧结形貌图

3银烧结技术在功率模块封装的应用

封装模块结构剖面图功率芯片封装连接结构示意图

作为高可靠性芯片连接技术，银烧结技术得到了功率模块厂商的广泛重视，一些功率半导体头部公司相继推出类似技术，已在功率模块的封装中取得了应用。

如今，银烧结技术已经成为宽禁带半导体功率模块必不可少的技术之一，随着宽禁带半导体材料(SiC、GaN)的发展，银烧结技术将拥有良好的应用前景。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，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。而烧结银工艺正是解决这一难题的关键技术。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。

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