銀燒結(jié)技術(shù)在功率模塊封裝中的應(yīng)用

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隨著新一代IGBT芯片及功率密度的進(jìn)一步提高，對(duì)功率電子模塊及其封裝工藝要求也越來越高，特別是芯片與基板的互連技術(shù)很大程度上決定了功率模塊的壽命和可靠性。傳統(tǒng)釬焊料熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱性差，難以滿足高功率器件封裝及其高溫應(yīng)用要求。此外隨著第三代半導(dǎo)體器件（如碳化硅和氮化鎵等）的快速發(fā)展，對(duì)封裝的性能方面提出了更為嚴(yán)苛的要求。銀燒結(jié)技術(shù)是一種新型的高可靠性連接技術(shù)，在功率模塊封裝中的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。

一、銀燒結(jié)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

1.什么是銀燒結(jié)技術(shù)

20世紀(jì)80年代末期，Scheuermann等研究了一種低溫?zé)Y(jié)技術(shù)，即通過銀燒結(jié)銀顆粒實(shí)現(xiàn)功率半導(dǎo)體器件與基板的互連方法。

圖 釬焊與銀燒結(jié)對(duì)比

銀燒結(jié)技術(shù)也被成為低溫連接技術(shù)（Low temperature joining technique,LTJT），作為一種新型無鉛化芯片互連技術(shù)，可在低溫（＜250℃）條件下獲得耐高溫（＞700℃）和高導(dǎo)熱率（~240 W/m·K）的燒結(jié)銀芯片連接界面，具有以下幾方面優(yōu)勢(shì)：

①燒結(jié)連接層成分為銀，具有優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能；②由于銀的熔點(diǎn)高達(dá)（961℃），將不會(huì)產(chǎn)生熔點(diǎn)小于300℃的軟釬焊連接層中出現(xiàn)的典型疲勞效應(yīng)，具有極高的可靠性；③所用燒結(jié)材料具有和傳統(tǒng)軟釬焊料相近的燒結(jié)溫度；④燒結(jié)材料不含鉛，屬于環(huán)境友好型材料。

表 互連材料性能對(duì)比

相對(duì)于焊料合金，銀燒結(jié)技術(shù)可以更有效的提高大功率硅基IGBT模塊的工作環(huán)境溫度及使用壽命。目前，銀燒結(jié)技術(shù)已受到高溫功率電子領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，它特別適合作為高溫SiC器件等寬禁帶半導(dǎo)體功率模塊的芯片互連界面材料。

2.銀燒結(jié)技術(shù)原理

銀燒結(jié)技術(shù)是一種對(duì)微米級(jí)及以下的銀顆粒在300℃以下進(jìn)行燒結(jié)，通過原子間的擴(kuò)散從而實(shí)現(xiàn)良好連接的技術(shù)。所用的燒結(jié)材料的基本成分是銀顆粒，根據(jù)狀態(tài)不同，燒結(jié)材料一般為銀漿（銀膏）、銀膜，對(duì)應(yīng)的工藝也不同：

圖 納米銀膏中分散劑、粘接劑和稀釋劑的作用原理

銀漿工藝流程：銀漿印刷——預(yù)熱烘烤——芯片貼片——加壓燒結(jié)；

銀膜工藝流程：芯片轉(zhuǎn)印——芯片貼片——加壓燒結(jié)。

芯片轉(zhuǎn)印是指將芯片在銀膜上壓一下，利用芯片銳利的邊緣，在銀膜上切出一個(gè)相同面積的銀膜并粘連到芯片背面。

圖 銀燒結(jié)技術(shù)工藝流程

以納米銀漿為例，如下圖所示，在燒結(jié)過程中，銀顆粒通過接觸形成燒結(jié)頸，銀原子通過擴(kuò)散遷移到燒結(jié)頸區(qū)域，從而燒結(jié)頸不斷長(zhǎng)大，相鄰銀顆粒之間的距離逐漸縮小，形成連續(xù)的孔隙網(wǎng)絡(luò)，隨著燒結(jié)過程的進(jìn)行，孔洞逐漸變小，燒結(jié)密度和強(qiáng)度顯著增加，在燒結(jié)最后階段，多數(shù)孔洞被完全分割，小孔洞逐漸消失，大空洞逐漸變小，直到達(dá)到最終的致密度。

圖 銀漿燒結(jié)互聯(lián)示意圖

燒結(jié)得到的連接層為多孔性結(jié)構(gòu)，孔洞尺寸在微米及亞微米級(jí)別，連接層具有良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，熱匹配性能良好。

圖 燒結(jié)銀-電鍍鎳互連界面形貌

二、銀燒結(jié)技術(shù)在功率模塊封裝的應(yīng)用

作為高可靠性芯片連接技術(shù)，銀燒結(jié)技術(shù)得到了功率模塊廠商的廣泛重視，一些功率半導(dǎo)體頭部公司相繼推出類似技術(shù)，已在功率模塊的封裝中取得了應(yīng)用。

圖 SiC MOSFET封裝模塊剖面圖

2006年，英飛凌與開姆尼茨工業(yè)大學(xué)（Chemnitz University of Technology）等高校，采用銀燒結(jié)技術(shù)的功率模塊進(jìn)行了高溫循環(huán)測(cè)試。在Easypack功率模塊中分別采用了單面銀燒結(jié)技術(shù)和雙面銀燒結(jié)技術(shù)，測(cè)試結(jié)果表明，相對(duì)傳統(tǒng)軟釬焊工藝模塊，采用單面銀燒結(jié)技術(shù)的模塊壽命提高5~10倍，采用雙面銀燒結(jié)技術(shù)的模塊壽命提高10倍以上。2012年，英飛凌推出.XT封裝連接技術(shù)（英飛凌高可靠封裝與互連技術(shù)的統(tǒng)稱），采用了擴(kuò)散焊接工藝，在封裝中實(shí)現(xiàn)了從芯片到散熱器的可靠熱連接。

圖 大功率IGBT模塊中的.XT技術(shù)

2007年，賽米控推出的功率模塊技術(shù)SKiNTER，利用精細(xì)銀粉，在高壓及大約250°C溫度條件下燒結(jié)為低氣孔率的銀層。其功率循環(huán)能力提升二至三倍，而且高運(yùn)行溫度下的燒結(jié)組件長(zhǎng)期可靠。如下圖所示，與燒結(jié)模塊相比，焊接模塊由于散熱性差，很早就會(huì)因焊接老化引起芯片溫度上升。芯片與DCB之間為燒結(jié)結(jié)合的模塊使用壽命更長(zhǎng)。

圖 焊接功率模塊與燒結(jié)功率模塊最終的失效機(jī)理

圖 焊接功率模塊與燒結(jié)功率模塊最終的失效機(jī)理，來源：賽米控

2015年，三菱電機(jī)采用銀燒結(jié)技術(shù)制作出功率模塊，循環(huán)壽命是軟釬焊料（Sn-Ag-Cu-Sb）的5倍左右，并且三菱電機(jī)自主開發(fā)了加壓燒結(jié)的專用設(shè)備。

如今，銀燒結(jié)技術(shù)已經(jīng)成為寬禁帶半導(dǎo)體功率模塊必不可少的技術(shù)之一，隨著寬禁帶半導(dǎo)體材料（SiC、GaN）的發(fā)展，銀燒結(jié)技術(shù)將擁有良好的應(yīng)用前景。

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