SiC功率器件先進互連工藝研究

摘要：

針對SiC功率器件封裝的高性能和高可靠性要求，文章研究了芯片雙面銀燒結(jié)技術(shù)與粗銅線超聲鍵合技術(shù)的高可靠性先進互連工藝。通過系列質(zhì)量評估與測試方法對比分析了不同燒結(jié)工藝對芯片雙面銀燒結(jié)層和芯片剪切強度的影響，分析了襯板表面材料對銅線鍵合強度的影響，最后對試制樣品進行溫度沖擊測試，討論了溫度沖擊對銀燒結(jié)顯微組織及其剪切強度的影響，以及對銅線鍵合強度的影響。試驗結(jié)果表明：一次燒結(jié)工藝與分次燒結(jié)工藝的芯片剪切強度均達到了工業(yè)生產(chǎn)要求的標準值，但分次燒結(jié)工藝的銀燒結(jié)效果在組織結(jié)構(gòu)和芯片剪切強度上都要優(yōu)于一次燒結(jié)工藝；溫度沖擊測試后燒結(jié)銀顯微組織的燒結(jié)頸增大，孔隙增大，并且2種燒結(jié)工藝的芯片剪切強度都明顯增大。襯板材質(zhì)對銅線超聲鍵合強度有很大影響，在裸銅活性金屬釬焊（ActiveMetalBraze，AMB）上的鍵合性能表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能，溫度沖擊后裸銅AMB上的鍵合點力學(xué)性能會退化，但鍍銀AMB上的力學(xué)性能反而會增強；結(jié)合拉力測試后第二鍵合點的斷裂模式，溫度沖擊使裸銅AMB上鍵合點的斷裂模式從100%頸部斷裂轉(zhuǎn)向焊點脫落，而使鍍銀AMB上的焊點脫落逐漸減少。

0　引言

目前，功率開關(guān)器件發(fā)展迅速并被廣泛運用，其設(shè)計與制造朝著高頻開關(guān)速率、高功率密度、高結(jié)溫等方向發(fā)展，尤其是SiC材料的出現(xiàn)，相對于傳統(tǒng)的Si基材料，SiC半導(dǎo)體芯片有著高結(jié)溫（最高有望超過600℃）、低導(dǎo)通電阻、高臨界擊穿場強、高開關(guān)頻率等性能優(yōu)勢[1-2]，但受限于器件封裝技術(shù)，采用傳統(tǒng)的Si基器件封裝工藝制造出來的SiC功率開關(guān)器件，未能充分展現(xiàn)上述的SiC芯片性能優(yōu)勢。在常規(guī)封裝的功率開關(guān)器件中，芯片底部的互連一般采用釬焊工藝，考慮到無鉛化的要求，所選擇的焊料熔點都低于250℃，如常用的SnAgCu系和SnSb系焊料等，因此不能充分發(fā)揮SiC芯片的高耐溫性能。此外，焊料在界面處極易產(chǎn)生脆硬的金屬間化合物，給產(chǎn)品的可靠性帶來了新的挑戰(zhàn)。目前，低溫納米銀燒結(jié)技術(shù)是一種有效解決方案，銀因其熔點高達961℃，將其作為連接材料能極大提高器件封裝結(jié)構(gòu)的溫度耐受性，而納米銀的燒結(jié)溫度卻低于290℃，使用遠低于熔點的燒結(jié)溫度就能得到較為致密的組織結(jié)構(gòu)，燒結(jié)后的銀層耐熱溫度高，連接強度高，導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能良好[3-6]。

傳統(tǒng)的Si基半導(dǎo)體芯片正面電極與外部互連采用的是鋁線鍵合技術(shù)，由于鋁線的再結(jié)晶溫度低、電阻率高、屈服強度低等材料本身的局限性，這種連接方式并不能完全發(fā)揮SiC芯片的優(yōu)勢。相對于鋁線而言，銅線材質(zhì)具有更低的電阻率、更高的屈服強度、更強的導(dǎo)熱性和機械穩(wěn)定性等優(yōu)點，其鍵合點的可靠性壽命與剪切強度都遠高于鋁線[7-9]；然而銅線的硬度和加工硬化比鋁線高，銅線鍵合時使用的超聲壓力與超聲功率也比鋁線高，這些問題都容易導(dǎo)致電極下方的芯片出現(xiàn)裂紋等損傷，因此不能直接在芯片正面使用粗銅線鍵合。本文采用的DTS（DieTopSystem）技術(shù)結(jié)合了芯片雙面銀燒結(jié)工藝與銅線鍵合工藝，此技術(shù)能夠避免直接在芯片上進行銅線鍵合時造成的芯片損傷，相較于常規(guī)使用的芯片釬焊互連和鋁線鍵合工藝，該技術(shù)能將功率器件的功率循環(huán)壽命提高數(shù)十倍。本文在此技術(shù)的工藝基礎(chǔ)上，探索了芯片表面與底部的不同燒結(jié)工藝對燒結(jié)層的影響，以及襯板材質(zhì)對銅線鍵合的影響。

1　試驗方法與步驟

本文采用的基于DTS技術(shù)的封裝形式如圖1所示，先將芯片底部與襯板燒結(jié)連接，然后將芯片的正面電極區(qū)域覆蓋一層敷銀膏的銅箔（厚度約50~200μm）并燒結(jié)成型，最后在此銅箔上進行銅線鍵合。本試驗采用的燒結(jié)工藝分別為一次燒結(jié)與分次燒結(jié)，其工藝流程如圖2所示。選取了高可靠性的Si3N4活性金屬釬焊（activemetalbraze，AMB）襯板，襯板表面材質(zhì)分為裸銅與鍍銀2種，分別稱為裸銅AMB與鍍銀AMB。本試驗的銀燒結(jié)工藝采用Alpha微納米銀膏，在相關(guān)燒結(jié)設(shè)備上進行銀燒結(jié)；使用300μm線徑的粗銅線，在超聲楔形鍵合設(shè)備上進行銅線鍵合，研究裸銅AMB與鍍銀AMB襯板材質(zhì)對銅線鍵合的影響。

銅線鍵合后將一部分樣品放入爐中進行溫度沖擊試驗（TemperatureShockTest，TST），試驗的條件為-40℃（20min）/150℃（20min）。將溫度沖擊試驗前后的樣品采用超聲掃描設(shè)備觀察芯片雙面燒結(jié)層的燒結(jié)情況，采用掃描電鏡（ScanningElectronMicrosco‐py，SEM）觀察分次燒結(jié)工藝后芯片底部的燒結(jié)層橫截面的顯微組織；采用推拉力設(shè)備進行芯片剪切強度測試，利用光學(xué)顯微鏡觀察剪切斷點位置的形貌，再對鍵合銅線進行拉力與剪切測試，利用光學(xué)顯微鏡觀察拉斷點形貌，最后分析各種條件下的芯片剪切強度與鍵合銅線測試數(shù)據(jù)。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1　銀燒結(jié)效果分析

銀燒結(jié)是一種基于原子擴散的固態(tài)物質(zhì)運輸過程，其驅(qū)動力是總表面能的降低，以及界面能的降低，銀顆粒尺寸越小其表面能越高，燒結(jié)驅(qū)動力越大，還可以通過外部施加的壓力來增強此驅(qū)動力[10]39-75。銀燒結(jié)主要有3個階段：初始階段以表面原子擴散為特征，燒結(jié)頸是在顆粒之間相互以點或者面接觸形成的，此階段對致密化的貢獻最大限制在2%~3%；中間階段以致密化為特征，發(fā)生在形成獨立孔隙之前，此階段致密化達到93%；最后階段是形成獨立孔隙后的燒結(jié)，此階段小孔隙逐漸消失，大孔隙逐漸變小，形成最終組織致密的燒結(jié)銀[10-11]。

在不同燒結(jié)工藝條件下，在鍍銀AMB上銀燒結(jié)的燒結(jié)層超聲掃描結(jié)果如圖3所示，在超聲掃描圖中燒結(jié)區(qū)域的顏色越深則表示孔隙越少，燒結(jié)層致密度越高。在分次燒結(jié)工藝條件下，芯片表面與底部的燒結(jié)層均有比較好的燒結(jié)效果，燒結(jié)層的均勻性好；但在一次燒結(jié)工藝條件下，芯片底部燒結(jié)區(qū)域呈現(xiàn)出明顯的顏色差別，顏色深的位置對應(yīng)于銅箔貼片位置，芯片上銅箔未覆蓋的區(qū)域顏色較淺，燒結(jié)效果較差，此區(qū)域相對銅箔覆蓋的區(qū)域所受的壓力小，而銀燒結(jié)的致密度與燒結(jié)壓力有很大關(guān)系，適當?shù)臒Y(jié)壓力對銀燒結(jié)層的致密度與力學(xué)性能有很大影響，一方面能增強銀膏與襯板之間的接觸，加快銀膏與襯板中的金屬原子相互擴散；另一方面也有助于燒結(jié)層界面處銀顆粒的重新排列，增強燒結(jié)界面處的銀顆粒填充密度，減少燒結(jié)層組織的孔隙率[10,12]。

圖4為在2種燒結(jié)工藝條件下，經(jīng)過2500次溫度沖擊后的芯片底部和表面的燒結(jié)效果。由圖4可知，芯片底部和表面的燒結(jié)未發(fā)生明顯變化，未見明顯的空洞或者裂紋；但芯片表面的燒結(jié)銀面積縮小，均發(fā)生在芯片上的銅箔4個角的位置，這主要是由于溫度沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致銅箔4個角位置卷起，從而導(dǎo)致超聲掃描結(jié)果顯示4個角位置的燒結(jié)銀面積縮小。

對不同燒結(jié)工藝的樣品進行芯片剪切強度測試，每組條件測試12個芯片，其剪切強度測試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，燒結(jié)后（0次TST）一次燒結(jié)工藝與分次燒結(jié)工藝的芯片剪切強度均達到40MPa，剪切強度均達到了工業(yè)生產(chǎn)要求的標準值，但分次燒結(jié)工藝的剪切強度明顯優(yōu)于一次燒結(jié)工藝，此外2500次溫度沖擊后2種燒結(jié)工藝的芯片剪切強度都明顯增大，以下結(jié)合芯片剪切斷裂模式作進一步解釋。

典型的剪切斷裂一般發(fā)生在銀燒結(jié)層（表示為“A”）或界面處（表示為“B”），也有可能是A與B的混合斷裂模式，一般在銀燒結(jié)層內(nèi)部斷裂是強接頭的表現(xiàn)，而在界面處斷裂相對來說是弱接頭的表現(xiàn)[13]。如圖6所示，一次燒結(jié)工藝與分次燒結(jié)工藝的斷裂模式都是A與B的混合模式；觀察一次燒結(jié)工藝的芯片剪切斷面可發(fā)現(xiàn)，A斷裂模式的所在位置正好是銅箔位置，也就是超聲掃描顯示顏色深的區(qū)域，如圖6(a)和圖6(b)所示，而B斷裂模式所對應(yīng)的位置則是超聲掃描顯示顏色相對淺的區(qū)域，如前所述銅箔覆蓋的區(qū)域所承受的壓力會大一些，其燒結(jié)效果更好，因此，此區(qū)域的斷裂模式是從燒結(jié)層內(nèi)部斷裂，但燒結(jié)效果差的區(qū)域則從芯片與燒結(jié)層的界面處斷裂；2500次TST后A斷裂模式的面積增大而B斷裂模式的面積減小，這也印證了TST后剪切強度增大的現(xiàn)象。分次燒結(jié)工藝的剪切強度明顯優(yōu)于一次燒結(jié)工藝，觀察芯片的剪切斷面，對比一次燒結(jié)工藝，分次燒結(jié)工藝的A斷裂模式面積明顯變大，如圖6(c)所示，覆蓋了芯片剪切斷面的大部分區(qū)域，說明此時是強接頭的表現(xiàn)；此外，分次燒結(jié)工藝的樣品在2500次TST后A斷裂模式的面積也同樣增大，如圖6(d)所示。

評價銀燒結(jié)顯微組織的幾個關(guān)鍵參數(shù)包含孔隙大小、孔隙率、孔隙的形狀和分布、晶粒尺寸?？紫妒倾y燒結(jié)過程中銀顆粒之間的空隙，其形成取決于銀顆粒之間的燒結(jié)頸，以及隨后的燒結(jié)頸生長情況，燒結(jié)頸的形成依賴于燒結(jié)溫度，適當提高燒結(jié)溫度和延長燒結(jié)時間有利于燒結(jié)頸的生長；適當提高燒結(jié)壓強和燒結(jié)溫度可以減小燒結(jié)銀中的大孔隙，降低孔隙率，提高燒結(jié)銀的致密度[14]?？紫稌馃崃骱碗娏骷校黾訜Y(jié)銀在實際應(yīng)用中失效的可能性；隨著孔隙率的增加，納米銀的導(dǎo)熱系數(shù)會降低，電阻率會增大[15]。如圖7所示，對分次燒結(jié)工藝的芯片底部燒結(jié)層橫截面使用掃描電鏡觀察其顯微組織，在此試驗燒結(jié)條件下燒結(jié)后（0次TST）得到的銀燒結(jié)層是孔隙分布均勻且組織致密的多孔性結(jié)構(gòu)，通過軟件對局部區(qū)域進行灰度處理后，計算出孔隙率為1.98%；2500次TST后孔隙增大，晶粒尺寸也進一步長大，孔隙率為8.31%；此外，在燒結(jié)層與襯板鍍銀層之間的界面觀察到明顯的孔隙增大，這是由于在溫度沖擊的作用下鍍銀層下面的銅原子會擴散到襯板表面，繼而發(fā)生氧化，銅氧化物與銅或銀的熱膨脹系數(shù)不匹配，從而導(dǎo)致了較大的熱應(yīng)力，引起孔隙進一步增大。

2.2　銅線超聲鍵合結(jié)果與分析

在超聲鍵合過程中，通過劈刀施加壓力使引線與焊區(qū)變形，結(jié)合超聲波振動促進引線與焊區(qū)之間的相互摩擦，破壞引線與焊區(qū)表面的氧化膜，促進鍵合界面處的相互擴散，達到引線與焊區(qū)的固相鍵合。超聲鍵合的關(guān)鍵參數(shù)是超聲波振動功率、壓力和鍵合時間。壓力可造成引線的彈性變形，與壓力相比，超聲波振動更能促進引線變形，影響引線的塑性變形。銅的強度和加工硬化性比鋁高，因此銅線超聲鍵合所需的超聲功率和壓力也相應(yīng)高一些。使用相同的工藝參數(shù)將銅線鍵合在鍍銀AMB與裸銅AMB上，如圖8所示，在不同溫度沖擊條件下隨機選取第二鍵合點的24個焊點進行剪切試驗，同時在不同溫度沖擊條件下隨機選取24根鍵合銅線進行拉力試驗。圖9為2種材質(zhì)的襯板銅線鍵合后對第二鍵合點進行剪切試驗的平均推力值和拉力試驗的平均拉力值。

由圖9(a)可知，鍵合后（0次TST），在裸銅AMB上鍵合的第二焊點平均推力值要比在鍍銀AMB鍵合的平均推力值高，這可以用Cu/Cu同質(zhì)結(jié)合比Cu/Ag異質(zhì)結(jié)合的界面結(jié)合強度要高來解釋[16]；然而隨著溫度沖擊的次數(shù)逐漸增加到2500次，在裸銅AMB上鍵合的第二焊點推力平均值逐漸減小，但在鍍銀AMB上鍵合的第二焊點推力平均值卻逐漸增大。由圖9(b)可知，對鍵合銅線進行拉力測試，其平均拉力值的變化也有相同的趨勢，隨著溫度沖擊的次數(shù)逐漸增加到2500次，裸銅AMB上的鍵合銅線拉力值逐漸減小，而鍍銀AMB上的鍵合銅線拉力值卻逐漸增大，這需要結(jié)合拉力測試后第二焊點的失效模式做進一步解釋。

銅線拉力測試后第二焊點表現(xiàn)的失效模式主要有2種：頸部斷裂和焊點脫落。相對而言，頸部斷裂模式下的強度要高于焊點脫落模式。圖10為在裸銅AMB和鍍銀AMB上進行銅線鍵合后第二焊點失效模式圖片和統(tǒng)計數(shù)據(jù)。由圖10(a)可知，燒結(jié)后（0次TST）的失效模式是頸部斷裂，這是由于在鍵合過程中焊點頸部的形變最大，導(dǎo)致這部分出現(xiàn)應(yīng)變硬化，延展性較差，容易發(fā)生斷裂；在經(jīng)歷2500次溫度沖擊后出現(xiàn)焊點脫落，失效占比約為20.83%，說明此時鍵合點與裸銅AMB界面之間的相互連接趨于弱化，這是由于溫度沖擊產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致界面附近逐漸產(chǎn)生微裂紋并且長大，進而表現(xiàn)出鍵合銅線的推拉力平均值逐漸下降的

現(xiàn)象。由圖10(b)可知，燒結(jié)后（0次TST）的失效模式是頸部斷裂與焊點脫落，焊點脫落僅略低于頸部斷裂，失效占比約為45.83%，這表明此時鍵合銅線與鍍銀襯板的鍵合點界面之間結(jié)合得并不理想；然而在經(jīng)歷2500次溫度沖擊后，鍵合點的焊點脫落失效卻減少了，失效占比約為16.67%，表現(xiàn)為鍵合銅線的推拉力平均值逐漸上升，這可能是由于鍵合界面處的銅原子與銀原子在溫度的作用下相互擴散，導(dǎo)致界面金屬之間出現(xiàn)化合物，使得鍵合強度增加，但持續(xù)增加溫度沖擊次數(shù)對其鍵合點力學(xué)性能的影響還有待進一步研究。

3　結(jié)論

本文研究了基于DTS技術(shù)的不同燒結(jié)工藝對燒結(jié)層的影響和AMB襯板材質(zhì)對銅線鍵合的影響，結(jié)論如下：

①一次燒結(jié)工藝與分次燒結(jié)工藝的芯片剪切強度均達到了工業(yè)生產(chǎn)要求的標準值，但分次燒結(jié)工藝的銀燒結(jié)效果在組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能上都要優(yōu)于一次燒結(jié)工藝，而溫度沖擊使得2種燒結(jié)工藝的芯片剪切強度都明顯增大，結(jié)合芯片剪切斷面觀察發(fā)現(xiàn)其斷裂路徑從界面轉(zhuǎn)向燒結(jié)層內(nèi)部。

②襯板材質(zhì)對銅線超聲鍵合有很大影響，裸銅AMB由于銅/銅同質(zhì)結(jié)合鍵合點表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能，當溫度沖擊次數(shù)增加到2500次時裸銅AMB上的鍵合點力學(xué)性能會退化，但鍍銀AMB上的力學(xué)性能反而會加強，這可能與生成界面金屬間化合物有關(guān)，而持續(xù)增加溫度沖擊次數(shù)對其鍵合點力學(xué)性能的影響還有待進一步研究。

綜合來說，相對于使用芯片釬焊互連和鋁線鍵合工藝，芯片雙面銀燒結(jié)技術(shù)和銅線鍵合技術(shù)表現(xiàn)出更為優(yōu)異的力學(xué)性能和高可靠性，適合應(yīng)用于碳化硅功率模塊的封裝工藝。但是目前關(guān)于銀燒結(jié)技術(shù)和粗銅線超聲鍵合技術(shù)在高溫可靠性方面的研究還比較少，仍需進行深入的探討與研究。

來源：半導(dǎo)體封裝工程師之家