使用熱膨脹系數(shù)與基板和芯片相近的焊膏可以 降低層間熱應(yīng)力，使用低楊氏模量焊膏燒結(jié)可以形 成柔性互連層，避免互連層出現(xiàn)疲勞裂紋。因此可 以通過添加合適材料參數(shù)的顆粒調(diào)節(jié)互連層的熱膨 脹系數(shù)和楊氏模量，進(jìn)而獲得高質(zhì)量的燒結(jié)接頭。Schmitt等在燒結(jié)銀漿料中將10%的Ag顆粒替換為Ag 包覆Ni或Mo顆粒，降低了焊料層的熱膨脹系數(shù)和楊 氏模量，燒結(jié)接頭經(jīng)過2 500次熱循環(huán)后沒有觀察到 可見的分層。

2.1 工藝條件對互連質(zhì)量的影響 

影響納米銀燒結(jié)的工藝參數(shù)主要包括燒結(jié)壓 力、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間、升溫速率和燒結(jié)氣氛。 

燒結(jié)壓力可以為燒結(jié)提供驅(qū)動力，促進(jìn)銀顆粒間的機(jī)械接觸、頸生長和銀漿料與金屬層間的相互 擴(kuò)散反應(yīng)，有助于消耗有機(jī)物排出氣體，使互連層 孔隙更少，從而形成穩(wěn)定致密的銀燒結(jié)接頭。但由 于現(xiàn)有的設(shè)備技術(shù)原因，高燒結(jié)壓力難以實(shí)現(xiàn)自動 化生產(chǎn)，且過高的燒結(jié)壓力會造成芯片的損壞，從 而導(dǎo)致器件可靠性的下降。對于銀顆粒尺寸較小的 焊膏，銀燒結(jié)所需的驅(qū)動力較小，因此可以實(shí)現(xiàn)低 溫?zé)o壓燒結(jié)。然而，在無壓燒結(jié)工藝中燒結(jié)時間不 足時接頭孔隙率較大，在高于250 ℃下燒結(jié)至少需要 60 min才能形成牢固的連接接頭。

適當(dāng)提高燒結(jié)溫度、高溫下的保溫時間和升 溫速率可以獲得更高強(qiáng)度的燒結(jié)接頭，納米銀顆粒 的燒結(jié)是由焊膏中有機(jī)物的蒸發(fā)控制的，更高的溫 度、保溫時間和升溫速率可以讓有機(jī)物蒸發(fā)更快， 獲得更好的燒結(jié)接頭。但過高的溫度、升溫速率和 過長的保溫時間會導(dǎo)致晶粒粗化，過大的升溫速率 會導(dǎo)致焊膏中有機(jī)物迅速蒸發(fā)，從而產(chǎn)生空洞和裂 紋等缺陷，影響連接強(qiáng)度和服役可靠性。 

納米銀焊膏常用的燒結(jié)氣氛為空氣、氮?dú)夂图?酸。燒結(jié)氣氛中一定含量的氧可以激活焊膏中有機(jī) 物的降解，促進(jìn)銀顆粒之間的連接和縮頸，從而有 利于剪切強(qiáng)度的提高。但燒結(jié)氣氛中的氧含量過高 時，Cu基板表面易生成氧化物。Kim等將SiC芯片 /納米銀漿料/Cu基板在空氣和氮?dú)庵?30 ℃燒結(jié)， 研究發(fā)現(xiàn)，在空氣中燒結(jié)時，納米銀接頭剪切強(qiáng)度 為3 MPa，燒結(jié)銀界面出現(xiàn)粘連破壞；在氮?dú)庵袩Y(jié) 可使納米銀接頭剪切強(qiáng)度提高到約9 MPa，斷裂界面 在燒結(jié)銀內(nèi)部。ROH M H等對比了在N2和甲酸氣 氛下，在不同基材上無壓燒結(jié)（溫度300 ℃、持續(xù) 60 min）后的接頭剪切強(qiáng)度，N2和甲酸氣氛下Cu基 板接頭的剪切強(qiáng)度分別為10.4 MPa和11.2 MPa，這說 明甲酸氣氛可以用于減少銅表面的氧化物。 

除了燒結(jié)時的工藝參數(shù)，貼片的工藝條件也會影響銀燒結(jié)的連接質(zhì)量。Takemasa等]使用不同的芯 片貼裝速度和深度將Si芯片安裝到印刷銀漿料的Cu 基板后無壓燒結(jié)，研究了芯片貼裝速度和深度對銀 燒結(jié)接頭的影響。當(dāng)貼片速度快時，銀膏層均勻， 空洞較少，如圖3(a)和圖3(b)所示，但當(dāng)貼片深度 達(dá)60 μm時，部分銀膏被擠出，互連層殘余銀膏較 少，如圖3(c)所示。當(dāng)貼片速度較慢時，X-ray難以 穿過銀密度較高的區(qū)域，芯片對角線上X-ray圖像變 暗，呈現(xiàn)出深色的十字，如圖3(d)~圖3(f)所示。隨著 貼片深度和空洞數(shù)量的增加，芯片周圍的銀膏體中 出現(xiàn)了許多裂紋。結(jié)果表明，更快的貼片速度和合 適的貼片深度有利于提高銀燒結(jié)的連接質(zhì)量。

此外在40~175 ℃、500 h的熱循環(huán)試驗中評估 了不同芯片貼裝速度和深度銀燒結(jié)接頭的高溫可靠 性。當(dāng)芯片貼裝速度較慢時，經(jīng)過熱循環(huán)后芯片邊 緣區(qū)域出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致剪切強(qiáng)度迅速下降。當(dāng) 芯片貼裝速度較快時，燒結(jié)接頭表現(xiàn)出良好的高溫 可靠性。 

由此可得，盡管不同樣品的燒結(jié)工藝相同， 但芯片貼裝條件不同，燒結(jié)接頭可靠性存在顯著差 異，選取合適工藝條件與參數(shù)是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量銀燒結(jié) 接頭的關(guān)鍵。 

2.2 金屬化層對互連質(zhì)量的影響 

銀燒結(jié)互連質(zhì)量取決于燒結(jié)過程中原子間擴(kuò)散 產(chǎn)生的界面連接，通常采用基板表面金屬化提高連 接質(zhì)量，不同金屬化層基板的燒結(jié)質(zhì)量有所差異。Chen等[25]研究了Au、Ag和Ni金屬化的銀燒結(jié)連接結(jié) 構(gòu)的高溫可靠性，時效1 000 h后，Au、Ni金屬化接 頭的芯片剪切強(qiáng)度僅為初始的一半左右，Ag金屬化 接頭具有最好的高溫可靠性。 

Ag是在銀燒結(jié)中常用的鍍層，由于銀焊膏和鍍 Ag層的化學(xué)性質(zhì)和晶格常數(shù)相同，因此在燒結(jié)過程 中銀焊膏更容易與鍍Ag層結(jié)合，能夠獲得較大的剪 切強(qiáng)度，在熱時效過程中發(fā)生多次再燒結(jié)，燒結(jié)界 面連接率變化不大，具有良好的高溫可靠性。 

Ni是常用的低成本鍍層，具有較低的擴(kuò)散率和反應(yīng)速率，通常在DBC基板上作為阻擋層減緩原子 間相互擴(kuò)散，幾乎可以忽略金屬間化合物的形成問 題，故在Ni金屬化基板上實(shí)現(xiàn)銀燒結(jié)連接具有重要 意義，然而Ni在高溫下易氧化，使得接頭在高溫服 役時剪切強(qiáng)度迅速下降。Wang等研究了一種在空 氣中無壓燒結(jié)銀鍵合Ni金屬化基板的互連方法，將 納米銀顆粒、亞微米銀顆粒和微米銀顆?；旌蠠Y(jié) 獲得了40 MPa以上的剪切強(qiáng)度。這種強(qiáng)結(jié)合是因為 三模態(tài)銀顆粒緊密堆積，Ag-Ni界面處有足夠的金屬鍵，有助于有機(jī)物的分解和氣體的排出，有效防止 了Ni的氧化。 

與其他金屬化層相比，Au的高溫可靠性較低 且價格較高，但在電極、Si/SiC晶圓和印刷電路板 （PCB）等電子器件中，Au表面處理可以使PCB不 受環(huán)境溫度和濕度的影響，在多次回流中具有優(yōu)異 的抗氧化性能，Au金屬化是芯片背面和基板的不可 避免的選擇。因此，在高溫應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)銀燒結(jié)連接 功率模塊的Au表面加工基板引起了廣泛研究，當(dāng)前 研究主要有兩種提高銀燒結(jié)在Au表面加工基板上的連接質(zhì)量的方法。 

第一種方法是在燒結(jié)前對Au表面進(jìn)行預(yù)熱處 理。研究表明，與未進(jìn)行預(yù)熱的Au金屬化組織相 比，在250 ℃預(yù)熱后燒結(jié)接頭剪切強(qiáng)度從15 MPa提 高到25 MPa。這是因為預(yù)熱處理改善了Ni/Au鍍層的 微觀結(jié)構(gòu)。圖4為Au層未預(yù)熱和250 ℃預(yù)熱銀燒結(jié)接 頭界面的掃描電鏡（SEM）圖像，在未預(yù)熱時，Au 層擴(kuò)散至燒結(jié)銀時產(chǎn)生單向拉應(yīng)力，導(dǎo)致Au與Ni的 界面處形成大量空洞，在燒結(jié)過程中形成Ag-Au固 溶體。在250 ℃預(yù)熱后，Au和Ni層界面處未出現(xiàn)空 洞，Ag-Au固溶體未形成，Au層與燒結(jié)銀之間的界 面結(jié)合良好，由于Cu基板、Ni鍍層和Au鍍層之間熱 膨脹系數(shù)存在差異，在預(yù)熱過程中產(chǎn)生壓縮應(yīng)力導(dǎo) 致晶粒缺陷消失。但預(yù)熱溫度過高時，Ni擴(kuò)散至Au 表面生成粗糙的NiO層，阻礙了Au和Ag的結(jié)合，導(dǎo)致剪切強(qiáng)度下降。

第二種方法是增加基板上Au層的初始厚度。Zhang等[28]對比了不同厚度Au層上銀燒結(jié)的結(jié)合強(qiáng) 度，Au層厚度從0.3 μm增加到0.8 μm時，剪切強(qiáng)度 由14.9 MPa上升至30.6 MPa。這是因為較厚的Au層通 常具有較大的Au晶粒，從而具有較少的晶界擴(kuò)散，在界面處可以形成牢固的結(jié)合。 

2.3 銀應(yīng)力遷移鍵合 

Oh C等提出了一種銀應(yīng)力遷移鍵合的互連方 法：在基板和芯片上濺射一層Ag薄膜后在250 ℃左右 的溫度下燒結(jié)，由于熱膨脹系數(shù)失配產(chǎn)生了殘余應(yīng) 力，Ag薄膜中銀原子在應(yīng)力梯度驅(qū)動下遷移，銀原 子的擴(kuò)散導(dǎo)致Ag薄膜上形成小丘。隨著燒結(jié)時間的增 加，小丘長大導(dǎo)致異常Ag晶粒生長，使結(jié)合界面面積 增大，從而實(shí)現(xiàn)Ag膜之間的固相結(jié)合，如圖5所示。

已有研究表明，形成小丘應(yīng)力是實(shí)現(xiàn)銀應(yīng)力遷 移鍵合的驅(qū)動力，因此可以通過選用合適的互連材 料實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、長壽命、穩(wěn)定的銀應(yīng)力遷移鍵合。然而，大應(yīng)力遷移是孔洞的來源，Kunimune T等[30] 在Ag薄膜和基板之間插入熱膨脹系數(shù)介于基板和Ag 薄膜之間的Pt金屬層，松弛了薄膜應(yīng)力，從而減少應(yīng) 力遷移，也作為擴(kuò)散屏障防止基底界面的過度孔洞生長和聚集。 

Chen等研究證實(shí)，固體多孔銀結(jié)構(gòu)也可以為 應(yīng)力遷移機(jī)制提供驅(qū)動力，利用銀的多孔結(jié)構(gòu)來實(shí) 現(xiàn)界面結(jié)合與山丘生長。與燒結(jié)銀膏和銀應(yīng)力遷移 鍵合不同的是，固體多孔銀的厚度可以控制且不受 限制，且具有更大的鍵合面積。圖6為制備固體多孔 銀結(jié)構(gòu)的工藝流程，制備所得的兩個固體多孔銀結(jié) 構(gòu)之間的界面實(shí)現(xiàn)了結(jié)合。

固體多孔銀結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)用于大面積鍵合，15 mm× 15 mm的Si芯片在300 ℃燒結(jié)得到的剪切強(qiáng)度大于30 MPa， 與應(yīng)力遷移鍵合技術(shù)中得到的剪切強(qiáng)度值相當(dāng)，且顯 著強(qiáng)于傳統(tǒng)Sn-Pb焊料，電阻率約為7 μΩ·cm，為 無鉛合金焊料的一半。具有較厚連接層的固態(tài)多孔 銀降低了功率模塊中的熱應(yīng)力，從而提高了結(jié)構(gòu)可靠性。 

IGBT功率模塊清洗

為應(yīng)對能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境惡化等問題，世界各國均在大力發(fā)展新能源汽車、高壓直流輸電等新興應(yīng)用，促進(jìn)了大功率電力電子變流裝置的廣泛應(yīng)用。大功率變流裝置的可靠性對這些應(yīng)用而言十分重要。裝置的可靠性與其核心器件IGBT密切相關(guān)。

目前，大量的IGBT仍在采用傳統(tǒng)的正溴丙烷等溶劑清洗清洗，隨著對環(huán)保的管控和對產(chǎn)品可靠性的要求不斷提高，原有的傳統(tǒng)溶劑清洗已不能滿足IGBT清洗。對此，合明提出新型的IGBT清洗方案。

合明科技半水基清洗工藝解決方案，采用合明科技專利配方，可在清洗IGBT凹槽內(nèi)存在大量的錫膏殘留的同時去除金屬界面高溫氧化膜，更含有保護(hù)芯片獨(dú)特的材料；配方材料親水性強(qiáng)，清洗后易于用水漂洗干凈。

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