（化工过程机械专业论文）纳米银焊膏低温烧结粘接可靠性研究.pdf

中文摘要l 随着微电子封装技术的发展，传统的芯片级互连材料呈现出很多的不足。为 满足当前电子工业领域宽带隙半导体器件高温封装的要求，本文重点研究了一种 能够用于芯片级互连的新型材料和互连工艺纳米银焊膏低温烧结连接技术。 与传统的焊料合金回流焊不同的是，该材料是在远远低于纳米银熔点的低温下通 过烧结工艺来实现芯片与基板的连接。本文通过设计一系列的可靠性试验从多个 方面研究了低温烧结纳米银焊膏粘接技术的可靠性，还研究了此种连接材料的基 本动态力学性能。 依据传统的烧结理论和纳米颗粒本身所具有的特性，制备了用于试验研究的 低温烧结纳米银互连芯片一基板试样。首先，通过载荷控制下的剪切疲劳试验， 初步获得了此种连接材料的载荷一寿命曲线和疲劳可靠性。同时，针对粘接面积 过大引起粘接质量下降的现象，从不同粘接面积引起的粘接强度的变化以及扫描 电镜、光学显微下纳米银断面微观形貌的差别两方面来解释了粘接面积过大会造 成连接质量下降的机理。此外，通过温度循环试验，从粘接强度和纳米银断面微 观形貌( 孔隙率) 的变化研究了纳米银焊膏低温烧结粘接红光芯片一基板试样的 热机械可靠性。最后，制备出了符合试验要求的低温烧结纳米银薄膜，运用动态 机械分析仪( d m a ) 得到此种连接材料在工作温度范围内的基本动态力学性能， 如不同温度下的拉伸曲线和弹性模量的变化曲线。 关键词：芯片级互连材料，纳米银焊膏，低温烧结技术，剪切疲劳，粘接面 积，温度循环，动态力学性能 国家自然科学基金资助项目( 5 0 5 2 8 5 0 6 ) 和教育部优秀青年教师教学科研奖励计划资助 a bs t r a c t 2 t r a d i t i o n a lc h i pl e v e li n t e r c o n n e c t i o nm a t e r i a l ss h o w e dl o r so fw e a k n e s sw i t ht h e d e v e l o p m e n tt r e n do fm i c r o e l e c t r o n i cp a c k a g i n gt e c h n o l o g y i no r d e rt om e e tt h en e e d o fh i g h - t e m p e r a t u r ep a c k a g i n go fw i d e - b a n dg a ps e m i c o n d u c t o ri ne l e c t r o n i ci n d u s t r y , l o w - t e m p e r a t u r es i n t e r e dn a n o - s i l v e ra san o v e ls e m i c o n d u c t o rd e v i c e m e t a l l i z e d s u b s t r a t ei n t e r c o n n e c t e dm a t e r i a lw a ss t u d i e di n t h i sp a p e r o n e b i gd i f f e r e n c e b e t w e e nt h i sm a t e r i a la n dt r a d i t i o n a ls o l d e ra l l o yi st h a tt h es i l v e rp a s t ec o n n e c t s s u b s t r a t ea n dc h i p su s i n gas i n t e r i n gp r o c e s sw h i c hp r o c e s s e da tal o w e rt e m p e r a t u r e t h a nm e l t i n gp o i n to fn a n o s i l v e r i nt h i sp a p e r as e r i e so fr e l i a b i l i t yt e s t sw e r e d e s i g n e dt oi n v e s t i g a t et h ei n t e r c o n n e c t i o nr e l i a b i l i t yo fl o w - t e m p e r a t m es i n t e r e d l l a n o - s i l v e rp a s t e a n dd y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h i si n t e r c o n n e c t i o nm a t e r i a l w e r ea l s os t u d i e d b a s e do nt h et r a d i t i o n a ls i n t e r i n gt h e o r ya n dt h es p e c i a lc h a r a c t e r so fn a n o s c a l e p o w d e r , al o w t e m p e r a t u r es i n t e r i n gt e c h n o l o g yw a se m p l o y e di nt h ep r e p a r a t i o nf o r s i n t e r e dl l a n o - s i l v e rd i e a t t a c h m e n t f i r s t l y , f o r c e l i f ec u r v ea n df a t i g u ep r o p e r t i e so f t h i si n t e r c o n n e c t i o nm a t e r i a lw e r eg a i n e dt h r o u g ht h es h e a rf a t i g u et e s t su n d e r d i f f e r e n t l o a d i n gc o n d i t i o n s a t t h es a m et i m e ，o n ep h e n o m e n o nt h a t l a r g e r i n t e r c o n n e c ta r e aw o u l dc a u s ep o o r e ri n t e r c o n n e c tq u a l i t yh a db e e nf o u n d t h e c h a n g e so ft h es h e a rs t r e n g t ha n dn a n o - s i l v e rj o i n t sm i c r o s t m c t u r e sb yu s i n gs c a n e l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ( s e m ) a n do p t i c a lm i c r o s c o p ew e r eo b s e r v e dw i t ht h e d i f f e r e n ti n t e r c o n n e c t i o na r e a si n v e s t i g a t e di no r d e rt oe x p l a i nt h em e c h a n i s m b e s i d e s ，t h et h e r m o m e c h a n i c a lr e l i a b i l i t yo fs i n t e r e dn a n o s i l v e rd i e a t t a c h m e n tw a s s t u d i e dt h r o u g ht h e r m a lc y c l i n gt e s t ，i n c l u d i n gs h e a rs t r e n g t h sa n dm i c r o s t r u c t u r e s w i t hc a v i t yr a t i o so fn a n o s i l v e rj o i n t s f i n a l l y , l o w - t e m p e r a t u r es i n t e r e dn a n o s i l v e r f i l m sw e r ep r e p a r e df o rd y n a m i cm e c h a n i c a la n a l y z e r ( d m a ) t e s t b a s i cd y n a m i c m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h i si n t e r c o n n e c t e dm a t e r i a la tw o r k i n gt e m p e r a t u r ew e r e i n v e s t i g a t e d ，s u c ha st h es t r e s s - s t r a i nc u r v e sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n dt h ed y n a m i c s c a nc u r v e so ft h ee l a s t i cm o d u l u s 2t h i sp r o j e c ti ss u p p o r t e d b yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( 5 0 5 2 8 5 0 6 ) a n dt h et e a c h i n ga n d r e s e a r c ha w e dp r o g r a mf o ro u t s t a n d m gy o u n gt e a c h e r si nh i g h e re d u c a t i o ni n s t i t u t i o n so f m o e ，r 1 l c k e yw o r d s ：c h i p - l e v e li n t e r c o n n e c t e dm a t e r i a l ，n a n o s i l v e r p a s t e ，l o w t e m p e r a t u r es i n t e r i n gt e c h n o l o g y , s h e a rf a t i g u e ，i n t e r c o n n e c t e da r e a , t h e r m a lc y c l i n g ， d y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 天津大学硕士学位论文主要符号说明 主要符号说明 颗粒尺寸( 第一章) 原子化学势 原子体积 原子的表面能 蒸汽压 空隙扩散系数 疲劳寿命 剪切应力幅值 剪切疲劳强度系数 剪切疲劳强度指数 剪切模量( 第五章) 弹性模量 2 g p c i y p d m 幻0 6 g e 天津大学硕士学位论文中英文缩略语 中英文缩略语 a c a a n i s o t r o p i cc o n d u c t i v ea d h e s i v e 各向异性导电胶 b g ab a l lg r i da r r a yp a c k a g e球栅阵列 c 4 c o n t r o l l e dc o l l a p s e dc h i pc o n n e c t i o n 可控塌陷芯片连接 c s p c h i ps c a l ep a c k a g e 芯片尺寸封装 c t ec o e f f i c i e n to f t e m p e r a t u r ee x p a n s i o n 热膨胀系数 d b cd i r e c tb o n d e dc o p p e r 直接敷铜板 d c ad i r e c tc h i pa t t a c h 芯片直接倒装贴装 d m a d y n a m i cm e c h a n i c a la n a l y z e r 动态力学分析仪 d s cd i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y 差示扫描量热仪 f c f l i pc h i p 倒装芯片 f e tf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r场效应晶体管 i c i n t e g r a t e dc i r c u i t 集成电路 i c a i s o t r o p i cc o n d u c t i v ea d h e s i v e 各向同性导电胶 l e d l i g h te m i t t i n gd i o d e 发光二极管 m c mm u l t ic h i pm o d u l e 多芯片组件 m o s f e tm e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r 金属氧化物半导体场效应管 p t h p c b s c p s e m s i c s m c s m d s m t t g a p l a t e dt h r o u g hh o l e p r i n t i n gc i r c u i tb o a r d s i n g ec h i pp a c k a g e s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y s i l i c o nc a r b i d e s u r f a c em o u n t e dc o m p o n e n t s s u r f a c em o u n t e dd e v i c e s s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y t h e r m a lg r a v i t a t i o n a la n a l y z e r 6 7 针脚插装 印刷线路板 单芯片封装 扫描电镜 碳化硅 表面贴装元件 表面贴装器件 表面贴装技术 热重分析 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：十黝 签字日期 川年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 武 签字日期：必刁年月日 导师签名： 签字日期：少再6 月易日 ， 天津大学硕士学位论文 前言 l - 刖舌 自1 9 4 7 年发明第一只晶体管开始，微电子封装便在集成电路领域占有了越 来越重要的位置。封装是指将半导体集成电路芯片可靠地安装到一定的外壳上， 封装用的外壳不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用，而 且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁。封装在满足器件的电、热、光和机 械性能的基础上解决了芯片与外电路的互连问题，对电子系统的小型化、可靠性 和性价比的提高起到了关键作用。 近年来，电子设备及系统正向轻、薄、短、小，低功耗，多功能，高可靠性 等方向迅速发展。为满足这些要求，半导体集成电路技术本身正向超微细化方向 发展，特征尺寸从亚微米、o 2 5 微米甚至进入亚0 1 微米领域，由此引起的低功 耗、高速、集成化以3 年4 倍的速度按摩尔定律急速推进。目前，芯片的特征线 宽越来越窄，己达到6 0 n m ，未来5 年将达到3 2 n m ，由此必引发集成电路发热率 的不断增加，这就对电子封装技术提出了越来越高的要求。电子封装区域小型化、 芯片集成度的提高而使集成电路的功率提高所带来的直接问题就是芯片工作温 度很高，性能不稳定。降低芯片温度有很多方法，如冷冻法、水循环冷却、微型 风扇散热等，但都不能从根本上解决问题。 另外，功率电子器件的发展也越来越受到人们的重视，目前它己被大量用于 电机、电焊机、变频器、u p s 电源、电动汽车、太阳能发电等诸多领域。同样在 其工作过程中会产生很多热量，而解决这一问题的根本方法在于改善芯片级互连 材料的散热能力。此外，功率封装还需要满足一些高操作温度等应用的特殊要求。 因此研究和开发可用于高温功率封装的具有高热导率及良好综合性能的新型芯 片级界面互连材料就显得更加重要。 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 电子封装可以为电路中的功率电子元件提供电信号连接或者绝缘，热冷却， 机械支持以及物理保护【1 】。微电子封装直接影响着集成电路和器件的电、热、光 和机械性能，还影响其可靠性和成本。因此单芯片功率封装、多芯片功率模块以 及整个功率系统的总体性能不仅决定于电子元件以及电路布局，更取决于封装技 术。在过去的2 0 年里，工业生产和学术研究都致力于高频集成的研究，它可显 著提高转换器的性能，实现尺寸的小型化并减轻重量，这些都推动了现有的功率 封装和热处理技术的进步。 另一方面，宽带隙半导体器件例如碳化硅( s i c ) i 由于其在高温大功率或者高散 热应用条件下的优势得到了迅速地发展。一些学者【2 卅的研究表明这种新型半导 体器件在3 5 0 的高温下仍具有良好的转换特性和工作能力，但s i c 的应用也引 发出了一个重大的挑战，就是这些电子装置的封装技术【5 1 。用于互连功率器件的 传统技术一般是用焊料合金或者导电胶将半导体芯片的一端连接热扩散基板，另 外一端连接引线( 通常是铝线或者金线) 。很明显，由于焊料合金的低熔点、易形 成金属间化合物问题，环氧树脂的低分解温度，以及高温环境下铝线的电迁移敏 感性【6 】，这种连接方式不能满足宽带隙半导体器件的高温操作要求。主要的技术 障碍在于目前使用的器件互连和封装的技术限制了功率电子学的快速发展。 现在，电子产业中的发展趋势是先发展封装后发展芯片，主要是由于封装对 芯片的制约，芯片投资大、发展慢、而后道封装却投资较小见效较快。在未来高 温器件以及电路可以大规模并可靠地运用于功率电子系统之前，研究新的互连材 料以及封装技术有着极其重要的现实意义。 在微电子领域，粉末烧结已经很普遍地运用于制造混合电路【7 - 9 】，多层金属 陶瓷互连基板与多层陶瓷电容以及磁性元件的共烧工艺等等。由于传统意义上的 烧结通常需要的温度远远高于半导体器件所能容许的最大温度，因此我们需要研 究可以降低烧结温度的方法。 1 1 功率电子封装的发展概况 微电子封装对半导体集成电路和器件有着不可磨灭的作用，如：为半导体芯 片提供机械支撑和环境保护；接通半导体芯片的电流通路；提供信号的输入和输 出通路；提供热通路，散逸半导体芯片产生的热。电子封装直接影响着集成电路 2 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 和器件的电、热、光和机械性能，还影响其可靠性和成本，同时，电子封装对系 统的小型化常起着关键作用【l0 1 。历史上，系统开发者曾经试图摆脱封装，将i c 自接安装到电路基板上。这种想法在1 9 6 0 年m m 公司开发的凸点倒装芯片和 a t & t 公司开发的梁式引线所强化，并接着由d e l c oe l e c t r o n i c sl u c e n t 公司成功的 将芯片倒装焊到了陶瓷基板上而得到了实现。但是要普遍使用这种未封装的i c ， 由于种种原因至今仍未能实现。所以，无论从理论研究还是实事证明的角度看来， 对各类芯片仍要进行封装，使之为芯片的正常工作提供通常的电源分配、信号分 配、散热通道、机械支撑和环境保护等功能，封装对芯片来说是必不可少的。 微电子封装经历了三个发展阶段：第一阶段为8 0 年代以前，封装的主体技术 是针脚插装( p t h ) ；第二阶段从8 0 年代中期开始，表面贴装技术( s m t ) 成为最热 门的组装技术，改变了传统的p t h 插装形式，通过微细的引线将集成电路芯片贴 装到印刷线路板( p c b ) 上，大大提高了集成电路的特性，而且自动化程度也得到 了很大提高：第三阶段为9 0 年代，随着器件封装尺寸的进一步小型化，出现了许 多新的封装技术和封装形式，其中最具代表性的技术有球栅阵y u ( b g a ) 、倒装芯 片( f c ) 和多芯片组件( m c m ) 等，这些新技术大多采用了面阵引脚，封装密度大为 提高。在此基础上，还出现了芯片尺寸封装( c s p ) 和芯片直接倒装贴装技术( d c a ) 【l l 】 0 目前，电子封装技术己经成为与电子工业中设计与制造并列的另一关键技 术。随着半导体芯片亚微米技术的突破，单片集成度的迅速增加，超大规模集成 电路传输速度的提高和电子整机结构的简化，驱使电子封装向着高性能、高可靠、 高密度、小型化、薄型化、低成本和环保型方向发展【1 2 】。 从由硅圆片制作出各类芯片开始，微电子封装可以分为三个层次【13 1 ，即用 封装外壳将芯片封装成单芯片组件和多芯片组件的一级封装，将一级封装和其他 元器件一同组装到印刷电路板上的二级封装，以及再将二级封装插装到母板上的 三级封装。由硅圆片开始的三级封装如图l l 所示。硅圆片和芯片虽然不作为一 个封装层次，但却是微电子封装的出发点和核心。在i c 芯片与各级封装之间，必 须通过互连技术将i c 芯片焊区与各级封装的焊区连接起来才可形成功能，将这种 芯片互连级称为芯片级封装或者零级封装。 按照上述几个等级来说，从半导体芯片本身的界面开始的电子封装被认为是 一级封装或者芯片级封装( c s p ) 。芯片级封装主要用于单个或者多个裸芯片与基 板的连接，这些芯片与封装通道的互连以及密封。在功率电子系统中，一级芯片 互连工艺起着很重要的作用这是因为它直接接触功率芯片，而这些芯片包含着数 百万与电、热和机械性能相关的晶体管电路，所以一级封装必须能满足用于微电 子集成电路( i c ) 芯片的不同要求。首先，因为功率器件工作时开关频率高，为了 天津大学硕l ：学位论立 第章立献综述 黝 。月 勰。 p j 鞣f 圈l 一1 微电子封装的三个级别 f i 9 1 1 t h r e e l e v e l so f m i c r l e c t r o n i c p a c k a g i n g 维持高水平的电路性能和有效性必须降低寄生噪音。第二因为工作中电流会数 量级递增，相比于集成电路互连功率电子互连中必须要有大的横截面积和电流处 理能力。而且，功率密度的增加使得一级封装必须提高在热扩散和热处理中的作 用。总之，最初的功率电子互连可靠性对确保电子系统长期寿命起着关键作用。 1 1 1 芯片级互连技术举例 1w 证e b o n d 引线键台 引线键合是功率电子e 业中传统的芯片级互连技术，这主要是由于该工艺能 很简单地采用母小的设施改动来调整封装设计的变化并且成本很低。引线键合技 术的灵活性和低成本以及可靠性不断的改善预示着它将继续成为晟重要的芯片 级连接方法i 】“。 在一个典型的单芯片封装( c s c p ) 中，源器件和接口终端通过芯片的铝连接 垫与镀镍的铜片的连接来实现。芯片和金铝线用注塑化合物封装起来起到绝缘、 机械支撑和保护的作用，芯片与基板以及引线之问的连接材料为焊料。示意图如 图i 2 f a l 所示。 d ”霞 暑芒，喜一斟阏慧蕊 图i 2 芯片引线键台封装示意图：( a ) 单芯片模块：( b ) 多芯片模块 f i g i - 2s k e t c h m a p s o f w i r e - b o n d ：( a ) s c m ；( b ) m c m 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 多芯片功率模块中的引线键合，一般采用自接敷铜板( d b c ) 基板连接开关器 件，芯片连接材料通常为焊料。一般采用5 - 2 0 m i l 的铝线键合芯片和功率模块外 部的引脚。为了获得高电流容量，通常平行放置几个功率芯片，然后通过几十或 者上百根铝线来连接。如图1 2 ( b ) 所示。 功率器件封装中如果采用引线键合这一互连方式，铝( 金) 线的电阻和上部金 属薄片的电阻组成了封装中9 0 的电阻【1 5 】，而这直接导致了封装中的热、电损 失。引线键合在高频条件下还会产生很大的寄生电感，这也是导致失效的一个原 因。因此，现在人们已开发出几种替代的芯片级互连技术来取代引线键合。 2 焊料互连技术 采用焊料作为互联技术是一种摆脱引线键合的有效方法。事实上不管是在引 线键合还是其他一些连接中都采用了焊料来将功率芯片连接到带镀层的基板上。 在其他功率封装中，焊料不仅用于芯片连接，也用于电极之间的连接。最初的焊 料连接可追朔到六十年代，最为有名的是i b m 的c 4 ( c o n t r o l l e dc o l l a p s e dc h i p c o n n e c t i o n ) 技术【1 6 。近些年来，人们在功率电子中应用焊料连接方面也取得了 不断的进步。以下介绍几种运用焊料互连的功率封装。 s h a ys i l i c o n i x 研发了一种取代传统引线键合的工艺：直接连接芯片与铜的 焊接框架，引线框可连接芯片的上下表面，如图1 3 所示【1 5 】。据报道由这种结构 引起的电阻已被减小到不足1 毫欧，从而使得电流容量有了很大的提高。然而， 由于这种大面积的铜引线框与硅芯片之间热膨胀系数的差异很大使得这种结构 的可靠性很差。 图1 3 无线芯片级封装横截面示意图 f i g 1 - 3c r o s s - s e c t i o n a ls c h e m a t i co fap o w e rc o n n e c tc h i p l e v e lp o w e rp a c k a g e 为了减轻这种由于热膨胀系数偏差引起的可靠性问题，f a i r c h i d 半导体研究 了一种s o 8 无线封装l l7 】图l - 4 ，它采用焊点来减少互连电阻并改善热量传递，尽 管焊点可以充当热扩散的渠道，但是绝大多数热量仍然是通过底部框架来扩散。 这种无线连接方式虽然降低了封装电阻但是并没有很明显地改善热性能。 f a i r c h i l d 半导体继而又开发了一种无底封装【1 8 】如图1 5 所示，这种结构不仅实现了 目标而且消除了底部框架式使得芯片可软焊的另一面可以采用焊料回流方法直 天律大学硕士学位论文第章文献综述 接连接在印刷电路板上( p c b ) ，上表面框架仍采用焊球来实现互连。从结果来看， 这种结构的封装电阻得到了明显的下降并且它能比传统的s o 8 多处理6 0 的电 流，这种无底结构还能将接触处热阻减少到1 w ，而传统s o 8 封装的接触处电 阻为2 5 c w 。1 9 9 9 年f a i r c h i l d 半导体开发了b g a 方式的芯片级封装来克服传统封 装的弊端。具体做法为将低压金属氧化物半导体场效应管m o s f e t 装入精细b g a 用来完成芯片级封装然后采用s m t 技术连接到p c b 印刷电路板基板上，如图1 6 所示。由于采用焊球直接连接，这种结构消除了线连接和引线框产生的寄生量。 另外b g am o s f e t 只有07 m m 高并且对于传统封装它只占印刷电路板面积的 5 0 咀下。这种独特的设计机构使得热量可以直接通过焊球从芯片扩散到印刷电 路板( c p c s ) 上。从而，相对于无线s o 8 封装它能减少3 5 的电阻并同时能提高 1 7 5 的热扩散。 浑接框架 图1 4s o - 8 无线芯片级封装横截面 f i g1 4 c h i p l e v e l p o w e r p a c k a g e s i n t e r c o 衄e c t e d b ys o 8 b o r o m l e s s t e c h n o l o g y 图i - 5s o 8 无底技术连接的芯片级封装圈i - 6b g a m o s f e t 示意图 f i g l - 5 c h i p - l e v e l m p a c k a g e s f i g l s c h e m a t i co f f a i r c h i l d s e m i c o n d u c t o r o h n e m o 州t e d b ys o 8 b o t t o m l e s s t e c h n o l o g y b g a m o s f e t 2 0 0 0 年i n t e r n a t i o n a l r e c t i f i e r 公司研究出了一种真正意义上的c s p f l l p f e t 这种结构所有的终端都在芯片的一面并都以焊点形式存在，如图1 7 所i ”。f l i pf e t 结合了嘏新的芯片设计以及晶片级封装技术，它在高级轻便型产品 如数码相机、m p 3 和手机的应用领域有很大的优势。 天津大学硕士学位论文第帝文献综述 图1 - 7 i r 公司f l i p f e t 意图 f i g i 一7 i r l sf l i p f e t m o s f e t 3 导电胶连接 近年来，在电子组装制造行业中，研究者越来越多地将研究兴趣转向导电胶 粘接剂，并展开了深入研究1 2 0 - 2 3 】，以期取代沿用多年的锡铅焊料，特别是研究用 于表面组装元器件( s m c s m d ) 互联到印制电路板( p c b ) 的导电胶粘接剂，主要 原因如下： ( i ) 环境保护的需要 目前在电子组装生产过程中普遍采用的是锡铅焊料，其中铅的含量在4 0 左 右。众所周知铅是有毒的金属，会对人体和周围环境造成相当巨大的影响。为了 消除铅污染，替代锡铅焊料已势在必行。因此，电子工业呼吁采用绿色电子材料， 电子产品必额要向无铅化转变。各国纷纷出台有关禁止含铅焊料在电子产业中使 用的法令【2 蝴“。 ( 2 ) 当代先进电子组装业发展的内在需求 当代先进电子组装技术向微型化、高密度化方向发展，而微型化、高密度化 就意味着元器件越来越小，引脚数进一步增多，引线间距进一步缩小，而导 电胶粘接钔更细的颗粒尺寸和稳定性体现了比共晶锡铅焊料更好的细线印刷能 力，顺应了电子组装技术发展的要求。此外，如粜使用导电胶粘接剂，具有固化 温度更低、工艺更简化等优越性。 导电胶粘接剂包括两大类2 7 。8 ：各向同性即均质导电胶粘接卉玎( i c a ) 和各向 异性导电胶粘接齐u ( a c a ) 。i c a 是指各个方向均导电的导电胶粘接剂：a c a 则 不一样，如z 一轴a c a 指在z 方向导电的胶粘接剂，而x y 方向则不导电。i ：1 前的研究主要集中在i c a 上。不同于v i s h a ys i l i c o n i x 公司的功率连接使用导 电银胶作为连接材料实现铜片和功率芯片的表面互连。环氧树脂导电胶的弹性模 量要比焊料低很多，因而可作为应力缓冲层，从而很大程度上减小了由基板和芯 片的热膨胀系数失配造成的热应力。但同时也提高了封装产牛的电阻。 为了有效地减小接触尺寸井提高芯片性能，i r 公司开发了d i r e c tf e t 互连 天津大学硕士学位论文第章文献综述 技术i ”】。使用导电银胶将功率器件装配至铜内，并应用可焊区域来实现倒装。 和一些其他形式的封装相比，连接处性能有所提高，尤其相对于s o 8 封装，其 在连接过程中热阻仅为s o 一8 的5 。d i r e c tf e t 技术使得芯片两侧均可散热，逐 渐成为一种商业应用的封装工艺。 导电胶也有其自身的局限性：( 1 ) 较低的导电率，对于一般的元器件，大多 导电胶粘接剂均可接受，但对于功率器件，则需要认真选择，否则达不到要求； ( 2 ) 粘接效果受元器件类型、p c b 类型、质量、金属化影响较大；( 3 ) 固化时间长； ( 4 ) 如果使用环氧类，则需要注意安全。粘接性能好是其优越性，但同时它一旦 发生活化反应，是有刺激性或有毒的，其挥发出来的胺对人体皮肤是过敏的。因 此，工作人员在操作前必须接受安全操作培训，环氧胶粘接剂也需要特定的容器， 工作区必须封闭。目前，导电胶粘接剂的应用还处于研究开发和初期试用阶段， 无论是导电胶粘接剂类型的选择还是相应的工艺水平都受到一定的限制，相对于 成熟运用多年的锡铅焊料还有一定的差距。 4 压力辅助烧结银焊膏 由于银有着优良的电、热性能，近年来银焊膏已经广泛应用于微电子封装领 域【孙3 2 】，银的高熔点也很适合应用于高温封装中。然而，微米级的银粒子通常需 要很高的烧结温度( 5 0 0 ) ，而这又远远超过了半导体元件所能承受的温度范 围，限制了金属粉末烧结在微电子封装中的应用。由这个问题引发的如何有效降 低烧结温度也成为人们关注的课题。之前已有学者提出可以通过在微米级金属烧 结系统上施加外部压力从而降低烧结温度，很多学者也己在这方面开展了一些研 究。 上世纪七十年代左右，c r a n ee t a l 3 3 1 和r i c ee t a l t 3 4 1 提出了银膜扩散焊接处理 为后来加压烧结技术提供很好地试验基础。s c h w a r z b a u e r 9 , 3 5 , 3 6 等人开发了一种扩 散焊连接技术并改善了功率器件的性能。c h e h t 3 7 】等人也指出加压烧结是降低烧 结温度的可行办法。k l a k a 和s i t t i n g 3 8 】的研究也表明这种技术能降低热一机械应 力。s c h e u e r m a n n ”】等人也报导了在功率电子模块中采用压力降低银粉烧结温度 来连接功率半导体的技术，并且指出该技术相比焊料合金连接大大改善了功率电 子模块的性能以及可靠性。 k u t m e r te t a l m 】直接将银粉平铺在基板上，再进行干燥处理，芯片放置在其 表面之后，加压烧结。选择温度范围为2 0 0 2 5 0 ，研究恒定外界压力作用下粘 接强度受温度和时间的影响。随着压力的增大，这种影响越来越不明显。尤其是 在i o o m p a 外界压力下，2 1 0 2 3 0 左右的烧结温度即可得到良好的结果，之 后烧结温度和烧结时间基本不影响其粘接力学性能。 s c h w a r z b a u e d 4 l j 发明了一种由金属银粉末和溶剂制成的银焊膏，在9 m p a 外 天律大学硕士学位论文第一章文献综述 力作用下，可以实现在1 8 0 c 利2 5 0 c 之间的低温烧结，由于烧结材料用于芯片 互连热应力较低而且具有较高的机械稳定性，热阻和电阻相应较小，能够作为连 接电子器件的瓦连材料，尤其是将大面积半导体器件连接到基板上。值得注意的 是溶帮j 要在银膏刷在基板之后，电子器件放置之前进行干燥从银膏中排出 防止在压力烧结时，溶剂生成的气体会将电子器件顶开，同时形成气道，导致银 膏烧结材料表面粗糙内部气道结构和烧结得不均匀，最终会导致粘接强度下降， 接触电阻和热阻升高。研究表明随着外界压力的增大，其连接质量越好。研究过 程中发现如果在压力烧结之后在相同温度下进行无压力烧结机械可靠性相对 有所提高如同金属处理的回火。 l u 【4 ”等人也指出了在压力辅助下烧结银焊膏是一种可替代焊料回流连接工 艺的芯片连接技术。他们开发了一种新的压力辅助烧结的工艺，采用微米尺度银 焊膏烧结方法来连接功率器件。银膏在基板上刷好之后，先在2 7 0 预热- - = b 时 使有机溶剂挥发，然后粘接好芯片再使用一个硅树脂填充的固定装置将器件紧 密封住，最后施加4 0 m p a 的外界压力在2 4 0 。c 的低温下烧结微米级银焊膏。 图l - 8 为外界压力辅助下低温烧结微米级银焊膏的示意图1 4 2 。相对焊料合金 连接来说，它的电、热和机械性能都有很大的改进。表i 1 列山了一些j 泛被使 用的软硬焊料和烧结银粉连接的物理性能。为了方便比较，纯银的性能也在表中 的最后一行列出。显然，对于高温情况，烧结的银粉具有更好的性能及可靠性。 与前面的焊料回流瓦连方式相比，压力辅助下烧结银焊膏的方j 去有很多优势比 如：其是无铅材料对环境无害，连接层较为均匀，热、电性能良好，可靠性较高。 然而，采用外界压力容易引起裂纹，并且会导致生产工艺复杂化，致使制造实现 自动化甩难进而成本增高并且它有可能对装置造成物理损伤。 硅树詹填充朝 lp 4 。n l n m 、 芯片 烧结锃层 d b c 基扳 图1 - 8 压力辅助下银膏烧结系统示意图 f i g i - 8s c h e m a t i co f a p r e s s u r e - a s s i s t e ds i l v e r p a s t es i n t e r i n gs e n a p 之前，l ue ta l 4 3 i 还研究了烧结过程中微米级金粉强制烧结与自由烧结的烧 结机理的区别。对于附着在铝基板上强制烧结金膜，其烧结致密化速率要明显小 于自由膜。通过进一步的研究，依据两种烧结情况的括化能不同认为，自由烧结 金膜以晶界扩散为主导扩散机制，而强制烧结金膜以晶格扩散为主。后来l i ne t 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 a l m 利用环境扫描电镜研究了纳米银颗粒在强制烧结和自由烧结的致密化过程， 得出同样的结论。 表1 1电子产品中的常用焊料、烧结银粉( 压力辅助) 和纯银的物理性甜3 8 】 t a b 1 - lp r o p e r t i e so f s o m ew i d e l yu s e ds o l d e rm a t e r i a l si ne l e c t r o n i cp r o d u c t s ；p r o p e r t i e so f s i n t e r e dl l a n o s i l v e r ( p r e s s u r e - a s s i s t e d ) a n dp u r es i l v e ra l el i s t e di nt h el a s tt w or o w s 备注：除加压烧结银粉外的其他数据来源于w w w m a t w e b c o r n 1 1 2 芯片级互连技术总结 在功率电子封装行业很难有一种普遍适用的芯片级互连技术能满足所有的 功率级别。每一种互连工艺都有其独特的优点和缺点，如今的功率电子市场上也 可以看到很多不同类型的封装形式。表1 2 总结了以上四种具有代表性的常用互 连方式的特点。 因为功率芯片在工作过程中会产生很多热量，芯片级互连技术的发展对热处 理能力也就提出了很高的要求。另外，可靠性一直也是芯片级互连技术必须考虑 的因素。总之，芯片级互连工艺对于半导体器件与其他功率系统的连接起着很重 要的作用。对于功率电子封装来说，一个好的芯片级互连工艺应该满足所有集成 上的需求( 功率密度等) ，具有良好的导电性能、散热能力，可靠性好以及工艺操 作简单化( 成本考虑) 。此外，功率封装还需要满足一些高操作温度等应用的特殊 要求。 1 2 烧结理论概况 粉末烧结用于陶瓷工业已有上千年的历史。如今烧结技术已被用于各种各样 l o 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 表1 2 不同芯片级互连技术的特点 t a b 1 2p r o p e r t i e so fv a r i o u sc h i p 1 e v e li n t e r c o n n e c t i o nt e c h n o l o g i e s - - _ _ _ - _ - - - - - 一i - - - - - - - w - - - _ _ _ - - - - - - - _ _ v - _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ 一 互连技术连接材料优点缺点应用 不同的行业中，其中包括：火箭喷嘴，超声传感器，自动引擎，半导体封装基板 以及牙齿行业等等。为了建立可控制变量例如压力，温度，气氛以及粒径与烧结 的物理机制之间的联系，许多学者作了大量的研究工作【4 5 舢】。 1 2 1 烧结机制 烧结通常情况下可以按照收缩和致密化的机制分为几种类型【4 5 】。由固相扩 散引发的烧结属于固相烧结，多晶材料的烧结过程大多属于这一类。另一方面， 无定形材料是由粘性流动来完成烧结的，故而被认为经历的是一种粘性烧结。另 外一种烧结类型利用在烧结温度下以液相状态存在的瞬态第二相，这也就是大家 知道的液相烧结。在恰当的条件下液相能提供快速传输从而获得迅速烧结。最后 利用外界压力增强致密化程度的烧结过程称为压力辅助烧结。 总的烧结过程通常分为三个阶段【4 ”7 】：初始阶段，中间阶段和最终阶段。由 于烧结过程中相邻阶段相互关联产生了重叠现象所以这三个阶段中间没有清晰 的界限。然而人们习惯用广义性的定义来区分这三个阶段。在初始阶段，粒子在 烧结力的作用下经过旋转或者滑移重新排列运