大功率模块基板材料对互连质量的影响、互连工艺研究进展解析与功率模块清洗介绍

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2 500次热循环后没有观察到 可见的分层。

2.1 工艺条件对互连质量的影响 

影响纳米银烧结的工艺参数主要包括烧结压 力、烧结温度、烧结时间、升温速率和烧结气氛。 

烧结压力可以为烧结提供驱动力，促进银颗粒间的机械接触、颈生长和银浆料与金属层间的相互 扩散反应，有助于消耗有机物排出气体，使互连层 孔隙更少，从而形成稳定致密的银烧结接头。但由 于现有的设备技术原因，高烧结压力难以实现自动 化生产，且过高的烧结压力会造成芯片的损坏，从 而导致器件可靠性的下降。对于银颗粒尺寸较小的 焊膏，银烧结所需的驱动力较小，因此可以实现低 温无压烧结。然而，在无压烧结工艺中烧结时间不 足时接头孔隙率较大，在高于250 ℃下烧结至少需要 60 min才能形成牢固的连接接头。

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。 

除了烧结时的工艺参数，贴片的工艺条件也会影响银烧结的连接质量。Takemasa等]使用不同的芯 片贴装速度和深度将Si芯片安装到印刷银浆料的Cu 基板后无压烧结，研究了芯片贴装速度和深度对银 烧结接头的影响。当贴片速度快时，银膏层均匀， 空洞较少，如图3(a)和图3(b)所示，但当贴片深度 达60 μm时，部分银膏被挤出，互连层残余银膏较 少，如图3(c)所示。当贴片速度较慢时，X-ray难以 穿过银密度较高的区域，芯片对角线上X-ray图像变 暗，呈现出深色的十字，如图3(d)~图3(f)所示。随着 贴片深度和空洞数量的增加，芯片周围的银膏体中 出现了许多裂纹。结果表明，更快的贴片速度和合 适的贴片深度有利于提高银烧结的连接质量。

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 

银烧结互连质量取决于烧结过程中原子间扩散 产生的界面连接，通常采用基板表面金属化提高连 接质量，不同金属化层基板的烧结质量有所差异。Chen等[25]研究了Au、Ag和Ni金属化的银烧结连接结 构的高温可靠性，时效1 000 h后，Au、Ni金属化接 头的芯片剪切强度仅为初始的一半左右，Ag金属化 接头具有最好的高温可靠性。 

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。 

第一种方法是在烧结前对Au表面进行预热处 理。研究表明，与未进行预热的Au金属化组织相 比，在250 ℃预热后烧结接头剪切强度从15 MPa提 高到25 MPa。这是因为预热处理改善了Ni/Au镀层的 微观结构。图4为Au层未预热和250 ℃预热银烧结接 头界面的扫描电镜（SEM）图像，在未预热时，Au 层扩散至烧结银时产生单向拉应力，导致Au与Ni的 界面处形成大量空洞，在烧结过程中形成Ag-Au固 溶体。在250 ℃预热后，Au和Ni层界面处未出现空 洞，Ag-Au固溶体未形成，Au层与烧结银之间的界 面结合良好，由于Cu基板、Ni镀层和Au镀层之间热 膨胀系数存在差异，在预热过程中产生压缩应力导 致晶粒缺陷消失。但预热温度过高时，Ni扩散至Au 表面生成粗糙的NiO层，阻碍了Au和Ag的结合，导致剪切强度下降。

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。

固体多孔银结构已成功应用于大面积键合，15 mm× 15 mm的Si芯片在300 ℃烧结得到的剪切强度大于30 MPa， 与应力迁移键合技术中得到的剪切强度值相当，且显 著强于传统Sn-Pb焊料，电阻率约为7 μΩ·cm，为 无铅合金焊料的一半。具有较厚连接层的固态多孔 银降低了功率模块中的热应力，从而提高了结构可靠性。 

IGBT功率模块清洗

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