使用熱膨脹系數與基板和芯片相近的焊膏可以 降低層間熱應力，使用低楊氏模量焊膏燒結可以形 成柔性互連層，避免互連層出現疲勞裂紋。因此可 以通過添加合適材料參數的顆粒調節互連層的熱膨 脹系數和楊氏模量，進而獲得高質量的燒結接頭。Schmitt等在燒結銀漿料中將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和楊 氏模量，燒結接頭經過2 500次熱循環后沒有觀察到 可見的分層。

2.1 工藝條件對互連質量的影響 

影響納米銀燒結的工藝參數主要包括燒結壓 力、燒結溫度、燒結時間、升溫速率和燒結氣氛。 

燒結壓力可以為燒結提供驅動力，促進銀顆粒間的機械接觸、頸生長和銀漿料與金屬層間的相互 擴散反應，有助于消耗有機物排出氣體，使互連層 孔隙更少，從而形成穩定致密的銀燒結接頭。但由 于現有的設備技術原因，高燒結壓力難以實現自動 化生產，且過高的燒結壓力會造成芯片的損壞，從 而導致器件可靠性的下降。對于銀顆粒尺寸較小的 焊膏，銀燒結所需的驅動力較小，因此可以實現低 溫無壓燒結。然而，在無壓燒結工藝中燒結時間不 足時接頭孔隙率較大，在高于250 ℃下燒結至少需要 60 min才能形成牢固的連接接頭。

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

納米銀焊膏常用的燒結氣氛為空氣、氮氣和甲 酸。燒結氣氛中一定含量的氧可以激活焊膏中有機 物的降解，促進銀顆粒之間的連接和縮頸，從而有 利于剪切強度的提高。但燒結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基板在空氣和氮氣中230 ℃燒結， 研究發現，在空氣中燒結時，納米銀接頭剪切強度 為3 MPa，燒結銀界面出現粘連破壞；在氮氣中燒結 可使納米銀接頭剪切強度提高到約9 MPa，斷裂界面 在燒結銀內部。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（溫度300 ℃、持續 60 min）后的接頭剪切強度，N2和甲酸氣氛下Cu基 板接頭的剪切強度分別為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。 

除了燒結時的工藝參數，貼片的工藝條件也會影響銀燒結的連接質量。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，研究了芯片貼裝速度和深度對銀 燒結接頭的影響。當貼片速度快時，銀膏層均勻， 空洞較少，如圖3(a)和圖3(b)所示，但當貼片深度 達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。當貼片速度較慢時，X-ray難以 穿過銀密度較高的區域，芯片對角線上X-ray圖像變 暗，呈現出深色的十字，如圖3(d)~圖3(f)所示。隨著 貼片深度和空洞數量的增加，芯片周圍的銀膏體中 出現了許多裂紋。結果表明，更快的貼片速度和合 適的貼片深度有利于提高銀燒結的連接質量。

此外在40~175 ℃、500 h的熱循環試驗中評估 了不同芯片貼裝速度和深度銀燒結接頭的高溫可靠 性。當芯片貼裝速度較慢時，經過熱循環后芯片邊 緣區域出現裂紋擴展，導致剪切強度迅速下降。當 芯片貼裝速度較快時，燒結接頭表現出良好的高溫 可靠性。 

由此可得，盡管不同樣品的燒結工藝相同， 但芯片貼裝條件不同，燒結接頭可靠性存在顯著差 異，選取合適工藝條件與參數是實現高質量銀燒結 接頭的關鍵。 

2.2 金屬化層對互連質量的影響 

銀燒結互連質量取決于燒結過程中原子間擴散 產生的界面連接，通常采用基板表面金屬化提高連 接質量，不同金屬化層基板的燒結質量有所差異。Chen等[25]研究了Au、Ag和Ni金屬化的銀燒結連接結 構的高溫可靠性，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是在銀燒結中常用的鍍層，由于銀焊膏和鍍 Ag層的化學性質和晶格常數相同，因此在燒結過程 中銀焊膏更容易與鍍Ag層結合，能夠獲得較大的剪 切強度，在熱時效過程中發生多次再燒結，燒結界 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，具有較低的擴散率和反應速率，通常在DBC基板上作為阻擋層減緩原子 間相互擴散，幾乎可以忽略金屬間化合物的形成問 題，故在Ni金屬化基板上實現銀燒結連接具有重要 意義，然而Ni在高溫下易氧化，使得接頭在高溫服 役時剪切強度迅速下降。Wang等研究了一種在空 氣中無壓燒結銀鍵合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粒混合燒結 獲得了40 MPa以上的剪切強度。這種強結合是因為 三模態銀顆粒緊密堆積，Ag-Ni界面處有足夠的金屬鍵，有助于有機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 受環境溫度和濕度的影響，在多次回流中具有優異 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，在高溫應用中實現銀燒結連接 功率模塊的Au表面加工基板引起了廣泛研究，當前 研究主要有兩種提高銀燒結在Au表面加工基板上的連接質量的方法。 

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

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層上銀燒結的結合強 度，Au層厚度從0.3 μm增加到0.8 μm時，剪切強度 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散，在界面處可以形成牢固的結合。 

2.3 銀應力遷移鍵合 

Oh C等提出了一種銀應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，由于熱膨脹系數失配產生了殘余應 力，Ag薄膜中銀原子在應力梯度驅動下遷移，銀原 子的擴散導致Ag薄膜上形成小丘。隨著燒結時間的增 加，小丘長大導致異常Ag晶粒生長，使結合界面面積 增大，從而實現Ag膜之間的固相結合，如圖5所示。

已有研究表明，形成小丘應力是實現銀應力遷 移鍵合的驅動力，因此可以通過選用合適的互連材 料實現高強度、長壽命、穩定的銀應力遷移鍵合。然而，大應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介于基板和Ag 薄膜之間的Pt金屬層，松弛了薄膜應力，從而減少應 力遷移，也作為擴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，固體多孔銀結構也可以為 應力遷移機制提供驅動力，利用銀的多孔結構來實 現界面結合與山丘生長。與燒結銀膏和銀應力遷移 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 銀結構的工藝流程，制備所得的兩個固體多孔銀結 構之間的界面實現了結合。

固體多孔銀結構已成功應用于大面積鍵合，15 mm× 15 mm的Si芯片在300 ℃燒結得到的剪切強度大于30 MPa， 與應力遷移鍵合技術中得到的剪切強度值相當，且顯 著強于傳統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多孔 銀降低了功率模塊中的熱應力，從而提高了結構可靠性。 

IGBT功率模塊清洗

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