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碳化矽半導體封裝核心技術分析——銀燒結技術
點擊次數:88 發布時間:2020-11-23

    隨著電子產業的發展,電子產品正在向著質量輕、厚度薄、體積小、功耗低、功能複雜、可靠性高這一方向發展。這就要求功率模塊在瞬態和穩態情況下都要有良好的導熱導電性能以及可靠性。功率模塊的體積縮小會引起模塊和芯片電流、接線端電壓以及輸入功率的增大,從而增加了熱能的散失,由此帶來了一些了問題如溫度漂移等,會嚴重影響功率器件的可靠性,加速器件的老化。為了解決向日葵视频app色版下载大功率器件所麵臨的問題,近年來,納米銀燒結技術受到了越來越多研究者的關注。

 

 1 蘋果手機主板上的器件集成度越來越高

低溫燒結互連技術 

    上世紀90年代初,研究人員通過微米級銀粉顆粒進行燒結實現了矽芯片和基板互連,這種燒結技術即為低溫燒結技術。在製作銀粉的過程中通常會加入有機添加劑,避免微米級的銀粉顆粒發生團聚和聚合現象。當燒結溫度達到210℃以上時,在氧氣環境中銀粉中的有機添加劑會因向日葵视频app黄分解而揮發,最終變成純銀連接層,不會產生雜質相。整個燒結過程是銀粉顆粒致密化的過程,燒結完成後即可形成良好的機械連接層。銀本身的熔融高達961℃,燒結過程遠低於該溫度,也不會產生液相。此外,燒結過程中燒結溫度達到230-250℃還需要輔助加壓設備提供約40MPa的輔助壓力,加快銀焊膏的燒結。

    該種燒結方法可以得到更好的熱電及機械性能,接頭空隙率低,熱疲勞壽命也超出標準焊料10倍以上。但是隨著研究的深入,發現大的輔助壓力會對芯片產生一定的損傷,並且需要較大的經濟投入,這嚴重限製了該技術在芯片封裝領域的應用。之後研究發現納米銀燒結技術由於納米尺寸效應,納米銀材料的熔點和燒結溫度均低於微米銀,連接溫度低於200℃,輔助壓力可以低於1-5MPa並且連接層仍能保持較高的耐熱溫度和很好的導熱導電能力。燒結過程的驅動力主要來自體係的表麵能和體係的缺陷能,係統中顆粒尺寸越小,其比表麵積越大,從而表麵能越高,驅動力越大。外界對係統所施加的壓力、係統內的化學勢差及兩接觸顆粒間的應力也是銀原子擴散遷移的驅動力。燒結得到的連接層為多孔結構,空洞尺寸在微米以及納米級別。當連接層的孔隙率為10%的情況下,其導熱及導電率可達到純銀的90%,遠高於普通軟釺焊料。

 

2 銀燒結互聯示意圖

銀燒結技術在功率模塊封裝中的應用 

    碳化矽芯片可在300℃以上穩定工作,預計模塊溫度將達到175-200℃。傳統功率模塊中,芯片通過軟釺焊接到基板上,連接界麵一般為兩相或三相合金係統,在溫度變化過程中,連接界麵通過形成金屬化合物層使芯片、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,采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。

    為了得到可靠性良好的功率模塊,英飛淩在2006年推出了Easypack1的封裝形式,分別采用單麵銀燒結技術和雙麵銀燒結技術。通過相應的向日葵视频app黄循環測試發現,相比於傳統軟釺焊工藝,采用單麵銀燒結技術的模塊壽命提高了5-10倍,而采用雙麵銀燒結技術的模塊壽命提高了10以上。

 

3 雙麵銀燒結技術

    之後2007年,賽米控推出了SkinTer技術,芯片和基板之間采用精細銀粉用銀燒結工藝進行連接,在250℃及壓力輔助條件下得到低孔隙率銀層。相比於釺焊層,功率循環能力提升了2-3倍,燒結層厚度減少約70%,熱導率大約提升3倍。2012年,英飛淩有推出了XT互聯技術,芯片和基板之間采用銀燒結技術連接。循環試驗表明,無底板功率模塊壽命提升達2個數量級,有底板模塊壽命提升也在10倍以上。2015年,三菱電機采用銀燒結技術製作功率模塊,循環壽命是軟釺焊料的5倍左右。 

    我司研發生產的燒結設備可以提供合適的輔助壓力,氣氛環境以及合適的加熱溫度,滿足銀燒結技術所需的技術指標,能夠為行業內的功率器件生產廠商提供相應的燒結設備以及技術支持。

 

4 氣氛燒結爐(左) SPS等離子放電燒結係統(右) 

    向日葵视频app色版下载科技針對市場需求,不斷研發,改進技術,推出性能優異的燒結設備,助力國內半導體封裝市場,提供各種氣氛燒結爐,熱壓燒結爐,放電等離子燒結爐,為半導體封裝企業的燒結工藝提供完善的熱處理解決方案。 

    向日葵视频app色版下载科技是一家集研發、生產、銷售電爐為一體的先進型企業。公司一直專注於先進陶瓷與複合材料、半導體材料、碳材料和鋰電及新能源材料裝備四大領域,擁有豐富的行業經驗和專業技術,竭誠服務於客戶,提供完善的一體化產業解決方案。

 

 

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