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張浩亮方杰徐凝華

（株洲中車時代半導(dǎo)體有限公司新型功率半導(dǎo)體器件國家重點實驗室）

摘要：

主要研究了應(yīng)用于IGBT模塊封裝中的銀燒結(jié)工藝和銅引線鍵合工藝，依據(jù)系列質(zhì)量表征和評價方法，分別驗證并優(yōu)化了銀燒結(jié)和銅引線鍵合的工藝參數(shù)，分析了襯板鍍層對燒結(jié)層和銅線鍵合界面強度的影響，最后對試制的模塊進行浪涌能力和功率循環(huán)壽命測試。結(jié)果顯示,與普通模塊相比,搭載銀燒結(jié)和銅線鍵合技術(shù)的模塊浪涌能力和功率循環(huán)壽命均有大幅的提升，并且銀燒結(jié)和銅線鍵合界面未見明顯的退化。

0?引言

在汽車和新能源器件等領(lǐng)域，功率器件模塊的工作溫度和功率密度的提高，對模塊封裝互連可靠性要求也更高。隨著芯片能力的提升，硅器件的工作結(jié)溫可能達到175℃。傳統(tǒng)的芯片連接工藝為焊料焊接，常用的SnAgCu系和SnSb系焊料難以在更高的工作溫度下保證模塊的可靠性；其次，芯片正面的鋁線鍵合點也一直是模塊長期可靠性的短板，模塊在承受周期性的應(yīng)力時，鋁線鍵合點會出現(xiàn)疲勞退化。無鉛焊料的熔點較低（210~240℃），無法使用常規(guī)的PI膠涂覆進行鍵合點強化。因此，既要保證模塊能夠在高溫下穩(wěn)定運行，又需要能夠在循環(huán)的“熱-機械”應(yīng)力下保證高可靠性，需要開發(fā)能夠替代傳統(tǒng)焊接和鋁線鍵合點的互連工藝。

銀燒結(jié)材料具有更高的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率、機械強度和接近純銀的熔點，銀燒結(jié)工藝迅速成為最具應(yīng)用前景的互連技術(shù)之一。銅引線鍵合點是一種替代鋁線鍵合點的很好的解決方案，除提供更高的鍵合強度外，相比鋁線，銅線還具有更強的通流能力。但其在工藝實現(xiàn)方面還存在相當(dāng)?shù)碾y度，因為銅線材質(zhì)較硬，芯片正面必須做很厚的銅金屬才能兼容銅線鍵合，這又導(dǎo)致了金屬化后薄片晶圓的翹曲，帶來了新的工藝難題。

本文討論了一種結(jié)合銀燒結(jié)和銅引線鍵合技術(shù)的高可靠性互連技術(shù)，被稱為DTS（Die Top System）技術(shù)。文獻研究表明，該互連技術(shù)可以顯著提升模塊的功率循環(huán)能力。

1?試驗結(jié)構(gòu)與工藝流程

試驗結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，在芯片與襯板之間使用銀燒結(jié)工藝實現(xiàn)互連，在芯片正面燒結(jié)一片銅箔作為緩沖層，并在銅箔上進行銅線鍵合。因為芯片需要進行雙面燒結(jié)，因此正面也需要進行金屬化處理。基本的工藝流程如圖1(b)所示，首先將銀膜轉(zhuǎn)移至芯片背面，然后進行“芯片-襯板”燒結(jié)，最后在銅箔上實現(xiàn)銅線鍵合。

2?試驗與分析

對大面積硅基芯片的燒結(jié)工藝進行研究，芯片尺寸為12.2 mm×12.2 mm，金屬化條件為雙面鍍Ni/Au。將芯片燒結(jié)到覆銅陶瓷基板（Direct Bonding Copper，DBC）襯板上，襯板的表面金屬化條件分別為鍍化學(xué)鎳金（Electroless Nickel/Immersion Gold,ENIG）, Ag, Cu。根據(jù)銀燒結(jié)的工藝特點，通常可以分為有壓燒結(jié)和無壓燒結(jié)；根據(jù)所使用燒結(jié)材料的粒徑，也會將銀膏分為微米銀、納米銀、微納米混合材料和其他添加成分銀膏。本文中采用納米銀有壓燒結(jié)工藝，燒結(jié)工藝驗證的項點主要包括燒結(jié)溫度、壓力和時間，參數(shù)如表1所示。

為了觀察燒結(jié)界面的結(jié)合情況，使用超聲波掃描對燒結(jié)界面進行分析，然后觀察界面的微觀形貌，并分析燒結(jié)層孔隙。將樣品切割，并使用環(huán)氧鑲樣后研磨拋光，使用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡（SEM）觀察試樣橫截面的微觀組織，利用能譜儀(EDS）分析界面擴散層的成分組成，最后處理圖像并分析燒結(jié)層的孔隙分布。

使用直徑為0.375 mm的銅線進行鍵合工藝的研究，包括鍵合壓力、超聲能量和鍵合時間等主要工藝參數(shù)的研究。銅線鍵合工藝參數(shù)曲線主要包括3個階段，分別為初始接觸、參數(shù)上升和水平保持階段。對不同階段的銅線鍵合工藝參數(shù)進行了分析，推力測試作為評估指標(biāo)之一，用于表征鍵合點的剪切強度，然后制備樣品，并使用SEM觀察鍵合界面，評估結(jié)合情況；最后在ΔT=100℃的條件下進行了模塊級的功率循環(huán)測試，同時常規(guī)封裝模塊作為對比對象同步進行了試驗；在模塊失效之后，對其測試壽命進行對比，并分析銀燒結(jié)和銅線鍵合界面相比試驗前的退化情況。

2.1?銀燒結(jié)工藝驗證和優(yōu)化

在相同的燒結(jié)條件下，不同鍍層襯板上的燒結(jié)層的超聲掃描圖像如圖2所示。從圖2可以看出，在鍍Au和鍍Ag的界面上，超聲掃描結(jié)果相似，燒結(jié)界面沒有出現(xiàn)分層和空洞，但在燒結(jié)過程中，裸銅襯板邊緣銅層在高溫下會發(fā)生氧化，氧化層阻礙了燒結(jié)銀顆粒與覆銅層之間的擴散，界面出現(xiàn)分層，圖像中顯示芯片邊緣的燒結(jié)不良。

在襯板鍍NiAu和鍍Ag金屬化的條件下，銀燒結(jié)工藝對氣氛條件的要求更低。在不同的壓力水平下，從金相截面的光鏡和SEM圖像中可以看到，芯片的孔隙率會明顯不同（如圖3所示）。在更高的壓力水平下，燒結(jié)層內(nèi)部的孔隙有效下降，從光鏡圖像中無法觀察到明顯的孔隙，在合適的工藝參數(shù)下，可以看到燒結(jié)銀與襯板鍍層原子互相擴散后，邊界已難以觀察到。

在燒結(jié)過程中，燒結(jié)溫度和燒結(jié)壓力是最重要的反應(yīng)驅(qū)動力，燒結(jié)時間則是保證反應(yīng)發(fā)生完全。燒結(jié)反應(yīng)發(fā)生的主要驅(qū)動力為總表面能的降低，實現(xiàn)這一結(jié)果主要有2個反應(yīng)方向，分別為致密化和晶粒粗化。在燒結(jié)反應(yīng)的前期，原子擴散和晶界擴散是主要的反應(yīng)機制，此刻表現(xiàn)為銀顆粒的合并、燒結(jié)頸的出現(xiàn)和生長，如圖4(a)所示。在反應(yīng)中期和后期，體擴散和晶粒粗化成為反應(yīng)的主導(dǎo)機制，此時主要表現(xiàn)為晶粒的持續(xù)生長與合并，燒結(jié)孔隙的數(shù)量逐漸減少。如圖4(b)所示，在致密化主導(dǎo)的組織中，孔隙較多，尺寸較小；當(dāng)晶粒粗化主導(dǎo)反應(yīng)時，轉(zhuǎn)變?yōu)閳D4(c)所示的形貌，孔隙尺寸較大，晶粒合并生長。在相同的壓力條件下，不同的時間和溫度下燒結(jié)層厚度隨時間變化的趨勢如圖5所示。從圖5可以看出，隨著燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)層的致密化速率增加，在250℃的條件下，5 min的燒結(jié)時間之后，燒結(jié)層致密化速度快速下降。

2.2?銅線鍵合工藝

相比鋁線鍵合，銅線的硬度更高，鍵合工藝需要更大的壓力和能量，對鍍層和基材也都有一定的要求。盡管芯片正面已燒結(jié)緩沖銅層，但“銅層+燒結(jié)層”的總厚度相比銅線的直徑依然較薄，因此過高的鍵合參數(shù)依然會使芯片遭到損壞而失效。在相同的工藝參數(shù)下使用不同鍍層的襯板進行銅線鍵合對比，使用剪切強度作為表征指標(biāo)，如圖6所示。鍍銀襯板的銅線鍵合強度略低于裸銅襯板，因為鍍銀層的厚度較薄，銅線可以破壞鍍層與基材的覆銅，直接形成連接，但此過程依然會消耗部分超聲能量，而在鍍NiAu襯板上的鍵合點推力強度收斂性較差，強度為20~40 N，相比裸銅襯板鍵合下降較多，這主要是由于在銅線鍵合工藝下Cu與Ni原子難以形成固溶強化，界面結(jié)合情況較差。如圖7所示，在Ni/Au鍍層界面，并沒有形成良好的擴散連接，而且連續(xù)鍍層在鍵合過程中發(fā)生了斷裂，界面連接的不穩(wěn)定性導(dǎo)致鍵合強度大幅波動；在裸銅表面鍵合的銅線屬于同質(zhì)金屬結(jié)合，界面擴散良好，沒有發(fā)現(xiàn)分層和裂紋的存在。

2.3?對芯片極限能力的提升

FRD芯片的浪涌能力對比如圖8所示。芯片正面燒結(jié)銅片和鍵合銅線后，F(xiàn)RD的浪涌能力獲得顯著的改善，相比于常規(guī)“焊接+鋁線”鍵合模塊，試制模塊芯片浪涌能力獲得大幅提升。由于芯片正面增加了燒結(jié)層和緩沖墊片，電流被有效均化，當(dāng)芯片電流達到浪涌極限時，正面燒結(jié)層和銅線鍵合點均未出現(xiàn)破壞。與常規(guī)模塊相比，試制模塊浪涌失效的主要破壞模式從常見的芯片發(fā)射極炸毀轉(zhuǎn)變?yōu)閳霏h(huán)終止區(qū)失效。

2.4?對模塊的功率循環(huán)壽命能力的提升

功率循環(huán)壽命測試導(dǎo)通壓降變化曲線如圖9所示，功率循環(huán)壽命測試的條件為ΔT=100℃。從圖9可以看出，試驗樣品循環(huán)壽命獲得了數(shù)倍的提高。常規(guī)模塊的失效模式為芯片正面鋁線鍵合點脫附，從而導(dǎo)致模塊互連失效，而試驗?zāi)K在長時間的功率循環(huán)測試后，芯片并未出現(xiàn)電性能失效。

對失效模塊進行分析，盡管銅線鍵合點的強度出現(xiàn)了一定的退化，但仍在允許的范圍內(nèi)，而位于芯片邊緣的鋁金屬化由于承受較大的循環(huán)應(yīng)力，呈現(xiàn)退化跡象。在互連界面中，芯片正面的鋁金屬化層內(nèi)出現(xiàn)了微裂紋萌生的跡象，內(nèi)部出現(xiàn)韌窩和微孔，如圖10所示。從圖10可以看出，燒結(jié)界面結(jié)合良好，并無明顯的裂紋和分層出現(xiàn)。因此，在承受循環(huán)應(yīng)力時，芯片本身正面的金屬化層可能成為潛在的失效風(fēng)險點，可能逐漸發(fā)展成貫穿裂紋，導(dǎo)致器件的最終失效。

3?結(jié)語

在燒結(jié)工藝中，隨著燒結(jié)時間的增加，在不同的溫度下，燒結(jié)層厚度逐漸降低，隨溫度升高，燒結(jié)組織收縮的速度逐漸加快，同時增加壓力可以有效地降低燒結(jié)組織空隙率。在銀燒結(jié)工藝中，襯板鍍Au和鍍Ag界面的燒結(jié)效果相似，均優(yōu)于裸銅襯板。襯板的基材和鍍層條件對銅線鍵合工藝均有一定影響。裸銅襯板由于和銅線屬于同質(zhì)金屬結(jié)合，因此強度更高，相比之下，Ni/Au鍍層的鍵合界面存在裂紋，強度穩(wěn)定性較差。

綜合來講，與常規(guī)封裝模塊相比，芯片雙面銀燒結(jié)和銅線鍵合技術(shù)可以明顯提高模塊的疲勞壽命，但該技術(shù)較高的材料成本和額外的工藝過程也導(dǎo)致其應(yīng)用存在一定的限制，預(yù)計在碳化硅系列的寬禁帶功率器件中將具有較好的應(yīng)用前景。

審核編輯 黃宇