2024-10-24 12:00:14
技术漫谈 银烧结互连场景、注意事项与发展趋势
1. 封装互连材料的种类与银烧结的优势
第三代半导体SiC、GaN凭借禁带宽度大，击穿电压高、热导率高、化学稳定性好等独特的性能，使其在高频大功率、高温电子器件等方面备受青睐。与此同时，器件的服役场景变得更加严苛复杂，这对功率器件芯片的连接以及可靠性提出了更高的要求。
传统封装互连材料的电子器件普遍存在高电场故障率高，可服役温度低等问题，常见的互连材料包括铅基钎料、锡基焊料、铋基钎料、锌基钎料和导电胶等。含铅焊料因有害物质限制（RoHS）指令而逐渐被禁止使用。锡基焊料熔点较低，难以满足器件在175 ℃及以上工作环境下服役需求，限制了第三代半导体的优越性能的发挥。铋基钎料在时效老化过程中由于铋相的偏析或粗化，导致力学性能快速下降，给长期可靠服役带来隐患。锌基钎料则因为其耐腐蚀性、导电性较差，应用场景受到限制。导热胶中由于含有大量的树脂成分，导致其使用温度一般低于200 ℃，其热导率一般低于20 Wm-1K-1，无法适应第三代半导体器件的散热需求。因此，迫切需要一种“低温连接，高温服役”的封装材料，确保功率器件在高温下长期可靠服役。
银烧结的电阻率低于常规焊料（2-8 µ.Ωcm，纯银为1.6 µ.Ωcm），热导率为常规焊料4倍以上（200-300 Wm-1K-1），并且低的工艺温度（约250 ℃）和高的理论工作温度（961 ℃），在新能源汽车、光伏、5G基站、高铁等得到广泛应用。
图1 烧结型银膏及其低温连接原理
2. 银烧结技术在SiC/GaN功率器件封装中的互连场景
银烧结是大功率器件最合适的界面互连技术之一，具有低温烧结互连、高温服役的优点。银烧结在功率器件模组中的应用目前主要有3个场景，分别是芯片背面与AMB基板、芯片正面与铜引线以及模块与散热器，如（图2）所示。其中芯片级封装目前最为成熟，常用的材料包括银膏、银膜与覆膜铜片。此外，银膏根据烧结过程是否加压还分为有压与无压烧结，根据存在形式分为银膏和银膜，如（图3）所述。本文介绍以银膏为主，关于银膜的介绍请关注清连科技公众号历史推文。
图2 银烧结技术在功率器件封装中的互连场景
图3 常见银烧结材料（依次为有压烧结银膏、无压烧结银膏与银膜）
3. 有压烧结型银膏使用工艺流程与注意事项
银烧结材料主要以银膏和银膜的形式存在，其中银膏是最先发展起来并且使用最为广泛的一种形式，其典型使用工艺流程如（图4）所示，主要包括银膏钢网印刷、烘箱烘干，然后进行芯片热贴，最后进行热压烧结互连。
银膏使用前一般需要回温并且搅拌均匀。印刷过程需要注意的印刷速度、脱模速度、压力等工艺参数与印刷质量的适配，烘干过程一般通入氮气防止AMB基板氧化，贴片过程需要注意贴片压力、时间、温度的匹配，其中贴片时间会直接影响生产效率，目前清连科技银膏热贴时间仅为0.3s，极大的提高了贴片效率。烧结过程是最为关键的一步，操作不当会导致芯片破碎、移位以及无损检测不通过、芯片推拉力强度低等问题（图5）。
图4 有压烧结型银膏工艺流程
表1 典型有压烧结型银膏基本参数（清连科技）
图5 有压烧结型银膏烧结互连SiC芯片推拉力强度（5mm×5mm）
银烧结除了银膏的形式，银膜是另外一种产品形式。银膜转印技术是一种将薄膜载体上的银膜以合适的温度、压力转移到芯片上的技术。银膜使用时省去了印刷与烘干工艺，可以直接将芯片在银膜上进行转印，然后贴片、烧结。因此，银膜是一种非常高效、高质量的银烧结互连材料。
4. 无压烧结型银膏使用工艺流程与注意事项
无压烧结型银膏即烧结过程中不施加辅助压力，目前在Clip互连与小面积芯片互连得到了很好的应用与验证。无压烧结型银膏对设备要求很低，甚至加热台即可，互连温度目前最低也可以做到200℃，具有很好的低温互连性能。与传统固化型银胶不同，其技术难点在于有机物的全部挥发，并实现高导电导热性能，典型无压烧结型银膏基本参数如（表2）所示。
表2 典型无压烧结型银膏基本参数（清连科技）
与有压烧结不同，无压烧结目前工艺流程主要采用点胶的方式，随后进行贴片和烘烤即可完成整个工艺流程。影响互连质量的核心点包括点胶的质量、贴片的压力以及烘烤的温度曲线等工艺参数。无压烧结互连目前强度同样达到了较高的水平，其中清连科技无压烧结型银膏强度如（图6）所示。但目前无压烧结型互连层的孔隙率仍高于有压烧结型银膏，导电与导热能力略低于有压烧结银。因此，车规级SiC芯片与AMB基板的互连目前主要采用有压烧结型银膏。
图6 无压烧结型银膏烧结互连SiC芯片推拉力强度（5mm×5mm）
5. 银烧结技术发展趋势
银烧结技术发展已有约20年，根据客户端反馈与客户产品的实际需求，银烧结产品目前仍需要不断完善并进一步迭代。主要包括以下几点：
（1）有压烧结型银膏烧结压力进一步降低。目前主流辅助压力为15-20MPa，芯片具有破碎的风险。目前清连科技已做到5MPa，但仍需要进一步降低，最终实现无压高质量烧结。
（2）模块与散热器大面积烧结互连已逐渐成为趋势。受限于塑封材料的温度等条件，芯片级银烧结产品并不能满足其更低温度与压力的苛刻要求。清连科技目前大面积银烧结产品已与众多头部客户实现稳定打样并通过可靠性测试。
（3）进一步降低银烧结材料成本。随着SiC模块数量的增加以及大面积互连需求的提升，银烧结材料的降本逐渐提上了日程。相关材料的国产化是降本的重要路径。因此，要求国内供应商实现产品的正向研发与迭代，并掌握核心技术，保障产业经济安全。
6. 结束语与下期预告
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下期预告：大面积互连技术？铜烧结可靠性？or烧结设备？敬请关注。
