SiC功率器件先進(jìn)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(jìn)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(qiáng)度的影響，分析了襯板表面材料對銅線鍵合強(qiáng)度的影響，最后對試制樣品進(jìn)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(qiáng)度的影響，以及對銅線鍵合強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)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(qiáng)度均達(dá)到了工業(yè)生產(chǎn)要求的標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(qiáng)度都明顯增大。襯板材質(zhì)對銅線超聲鍵合強(qiáng)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(diǎn)力學(xué)性能會退化，但鍍銀AMB上的力學(xué)性能反而會增強(qiáng)；結(jié)合拉力測試后第二鍵合點(diǎn)的斷裂模式，溫度沖擊使裸銅AMB上鍵合點(diǎn)的斷裂模式從100%頸部斷裂轉(zhuǎn)向焊點(diǎn)脫落，而使鍍銀AMB上的焊點(diǎn)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(yùn)用，其設(shè)計(jì)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(qiáng)、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(diǎn)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(diǎn)高達(dá)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(yuǎn)低于熔點(diǎn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度、更強(qiáng)的導(dǎo)熱性和機(jī)械穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，其鍵合點(diǎn)的可靠性壽命與剪切強(qiáng)度都遠(yuǎn)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(jìn)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(yàn)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(jìn)行銅線鍵合。本試驗(yàn)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(yàn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行溫度沖擊試驗(yàn)（TemperatureShockTest，TST），試驗(yàn)的條件為-40℃（20min）/150℃（20min）。將溫度沖擊試驗(yàn)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(jìn)行芯片剪切強(qiáng)度測試，利用光學(xué)顯微鏡觀察剪切斷點(diǎn)位置的形貌，再對鍵合銅線進(jìn)行拉力與剪切測試，利用光學(xué)顯微鏡觀察拉斷點(diǎn)形貌，最后分析各種條件下的芯片剪切強(qiáng)度與鍵合銅線測試數(shù)據(jù)。

2　試驗(yàn)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(kuò)散的固態(tài)物質(zhì)運(yùn)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(qiáng)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(kuò)散為特征，燒結(jié)頸是在顆粒之間相互以點(diǎn)或者面接觸形成的，此階段對致密化的貢獻(xiàn)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(dú)立孔隙之前，此階段致密化達(dá)到93%；最后階段是形成獨(dú)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(dāng)?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(qiáng)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(kuò)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(qiáng)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(jìn)行芯片剪切強(qiáng)度測試，每組條件測試12個芯片，其剪切強(qiáng)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(qiáng)度均達(dá)到40MPa，剪切強(qiáng)度均達(dá)到了工業(yè)生產(chǎn)要求的標(biāo)準(zhǔn)值，但分次燒結(jié)工藝的剪切強(qiáng)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(qiáng)度都明顯增大，以下結(jié)合芯片剪切斷裂模式作進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度增大的現(xiàn)象。分次燒結(jié)工藝的剪切強(qiáng)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(qiáng)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(dāng)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(dāng)提高燒結(jié)壓強(qiáng)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?，增加燒結(jié)銀在實(shí)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(yàn)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(jìn)行灰度處理后，計(jì)算出孔隙率為1.98%；2500次TST后孔隙增大，晶粒尺寸也進(jìn)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(kuò)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(jìn)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(jìn)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(jìn)鍵合界面處的相互擴(kuò)散，達(dá)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(jìn)引線變形，影響引線的塑性變形。銅的強(qiáng)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(jī)選取第二鍵合點(diǎn)的24個焊點(diǎn)進(jìn)行剪切試驗(yàn)，同時在不同溫度沖擊條件下隨機(jī)選取24根鍵合銅線進(jìn)行拉力試驗(yàn)。圖9為2種材質(zhì)的襯板銅線鍵合后對第二鍵合點(diǎn)進(jìn)行剪切試驗(yàn)的平均推力值和拉力試驗(yàn)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(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)推力平均值逐漸減小，但在鍍銀AMB上鍵合的第二焊點(diǎn)推力平均值卻逐漸增大。由圖9(b)可知，對鍵合銅線進(jìn)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(diǎn)的失效模式做進(jìn)一步解釋。

銅線拉力測試后第二焊點(diǎn)表現(xiàn)的失效模式主要有2種：頸部斷裂和焊點(diǎn)脫落。相對而言，頸部斷裂模式下的強(qiáng)度要高于焊點(diǎn)脫落模式。圖10為在裸銅AMB和鍍銀AMB上進(jìn)行銅線鍵合后第二焊點(diǎn)失效模式圖片和統(tǒng)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)脫落，失效占比約為20.83%，說明此時鍵合點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)脫落，焊點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的焊點(diǎn)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(kuò)散，導(dǎo)致界面金屬之間出現(xiàn)化合物，使得鍵合強(qiáng)度增加，但持續(xù)增加溫度沖擊次數(shù)對其鍵合點(diǎn)力學(xué)性能的影響還有待進(jìn)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(qiáng)度均達(dá)到了工業(yè)生產(chǎn)要求的標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(diǎn)表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能，當(dāng)溫度沖擊次數(shù)增加到2500次時裸銅AMB上的鍵合點(diǎn)力學(xué)性能會退化，但鍍銀AMB上的力學(xué)性能反而會加強(qiáng)，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(diǎn)力學(xué)性能的影響還有待進(jìn)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(jìn)行深入的探討與研究。

來源：半導(dǎo)體封裝工程師之家