烧结银：SiC芯片封装的关键材料

烧结银：SiC芯片封装的关键材料

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  随着电子产业的发展，电子产品正在向着质量轻、厚度薄、体积小、功耗低、功能复杂、可靠性高这一方向发展。这就要求功率模块在瞬态和稳态情况下都要有良好的导热导电性能以及可靠性。功率模块的体积缩小会引起模块和芯片电流、接线端电压以及输入功率的增大，从而增加了热能的散失，由此带来了一些了问题如温度漂移等，会严重影响功率器件的可靠性，加速器件的老化。为了解决高温大功率器件所面临的问题，近年来，纳米银烧结技术受到了越来越多研究者的关注。银烧结技术也被称为低温连接技术，是最为适合于宽禁半导体模块封装的界面连接技术之一，是碳化硅模块封装中的关键技术，也是目前应用最为广泛的技术。

  相比焊接模块，银烧结技术对模组结构、使用寿命、散热产生了重要影响，采用银烧结技术可使模块使用寿命提高5-10倍，烧结层厚度较焊接层厚度薄60-70%，热传导率提升3倍，国外厂商把银烧结技术作为第三代半导体封装的核心技术，银烧结技术成为芯片与基板之间连接的不二选择，同时在此基础上开发出双面银烧结技术，将银带烧结在芯片正面代替了铝线，或取消底板将基板直接烧结在散热器上，大大简化了模块封装的结构。

  传统功率模块中，芯片通过软钎焊接到基板上，连接界面一般为两相或三相合金系统，在温度变化过程中，连接界面通过形成金属化合物层使芯片、软钎焊料合金及基板之间形成互联。目前电子封装中常用的软钎焊料为含铅钎料或无铅钎料，其熔点基本在300℃以下，采用软钎焊工艺的功率模块结温一般低于150℃，应用于温度为175-200℃甚至200℃以上的情况时，其连接层性能会急剧退化，影响模块工作的可靠性。

 该种烧结方法可以得到更好的热电及机械性能，接头空隙率低，热疲劳寿命也超出标准焊料10倍以上。但是随着研究的深入，发现大的辅助压力会对芯片产生一定的损伤，并且需要较大的经济投入，这严重限制了该技术在芯片封装领域的应用。之后研究发现纳米银烧结技术由于纳米尺寸效应，纳米银材料的熔点和烧结温度均低于微米银，连接温度低于200℃，辅助压力可以低于1-5MPa，并且连接层仍能保持较高的耐热温度和很好的导热导电能力。烧结过程的驱动力主要来自体系的表面能和体系的缺陷能，系统中颗粒尺寸越小，其比表面积越大，从而表面能越高，驱动力越大。外界对系统所施加的压力、系统内的化学势差及两接触颗粒间的应力也是银原子扩散迁移的驱动力。烧结得到的连接层为多孔结构，空洞尺寸在微米以及纳米级别。当连接层的孔隙率为10%的情况下，其导热及导电率可达到纯银的90%，远高于普通软钎焊料。