随着微电子技术的不断发展,电子元件正朝着更高集成度和更高频率的方向发展,这就要求电子器件能够承受高温和高频振动等恶劣的工作环境。在雷达微波通讯、航空航天装备、电网电能逆变以及新能源汽车电控系统等大功率芯片的核心应用场景里,对功率器件的可靠性提出了近乎苛刻的标准。如今,这些器件不仅要满足更高电流承载的需求,还得在高温高湿度等极端环境下持续稳定工作,使得器件在实际使用中面临着全新且棘手的难题。而以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)作为典型代表的第三代宽禁带半导体材料以其独特的优势运营而生,它们拥有化学稳定性好、高击穿电压、高功率密度、高电子迁移率以及低介电常数等卓越特性。这些优势不仅使SiC芯片在运算效率上实现了显著提升,还赋予了其在严酷服役环境中稳定工作的能力,为满足大功率芯片应用领域的需求提供了更可靠的解决方案。

然而,这对功率芯片的封装技术也提出了更高的要求,要求电子器件可以在高熔点,高低温循环条件下保持稳定,并且具有较高的机械强度和导电、导热性能。对此,提出了多种互连技术来满足以上需求,比如高温合金钎料钎焊技术,瞬时液相连接技术和低温烧结银连接技术。

烧结银技术相较于传统的合金钎焊材料,具有更大的优势。它由微米级、纳米级银颗粒构成,凭借较大的表面自由能,银原子在低温下就能扩散,从而实现致密化。凭借这一特性,烧结银技术展现出优异的导热性、导电性与机械性能,为高功率器件的稳定运行提供有力支撑。

在电子封装过程中,基板表面清洁度对焊接处有重要影响,然而,在制造过程中,很多方面都会影响到表面清洁度,比如制造工艺、封装材料等,譬如本文章中使用的烧结银,它是由有机溶剂和不同大小的银颗粒组成,在制备和使用过程中有机溶剂会挥发导致基板背面受到污染物,然而为了节约空间,使电子产品更小型化,往往会采用双面封装,这将影响到基板另一面的键合。因此,在本文中研究烧结银产生的有机污染物以及影响镀金基底与芯片之间的结合质量的微观机制至关重要。

等离子清洗对表面污染物的影响

将污染基板置于等离子清洗机真空腔体内,分别经氧气氩气等离子混合清洗(功率980W,时间300s)。污染基板经GC-MS检测出多种有机污染物,如烷烃、醇类、醛类等。而等离子清洗后的基板检测到烷烃类等污染物几乎完全消除,结果如图1.1所示,有机物的峰都大大降低甚至消失,样品表面有机污染物种类和含量显著减少。说明等离子轰击诱导了表面氧化活化,大部分有机污染物被分解为小分子挥发去除。这使得样品表面化学组成趋于洁净,表面能提高,有利于后续烧结过程中烧结银与基板间的相互作用。

图1 镀金基板的总离子色谱图(TIC)(a)污染基板(b)等离子清洗基板 

等离子清洗后烧结接头的烧结质量

等离子清洗对Ag-Au烧结接头的键合强度具有显著优化作用,将等离子清洗后的基板与半烧结银膏进行烧结。对烧结接头进行剪切强度、断面分析和微观组织的表征,评价其键合质量。如图2.1所示,未清洗的污染样品的平均剪切强度仅为24.4MPa,而经等离子清洗后,剪切强度提升至34.2MPa(增幅达40.2%),几乎与未污染样品达到统一水平。将污染样品与清洗后样品的断口形貌进行对比(图2.2),等离子清洗后的样品虽然与污染后的样品同样表现为复合失效(上界面+烧结银),但烧结银区域占比高达70%,进一步说明等离子清洗后的样品Ag-Au界面结合力更强。微观组织分析进一步证明了等离子清洗对烧结质量的优化,如图2.3所示,未清洗样品Ag-Au结合界面处存在大量不规则孔洞,根据ImageJ软件统计,界面连接率为38.2%,且Ag颗粒呈松散堆积状态(图2.3a)。经等离子清洗后,界面处连接率增至60.3%,Ag颗粒通过表面扩散形成致密的烧结颈结构,界面处Ag-Au互扩散层连续(图2.3d)。这种形貌变化归因于等离子清洗有效去除了吸附在基板表面的碳氢化合物,从而消除了污染物对Ag颗粒与Au镀层界面结合的物理阻隔,进而促进了Ag颗粒与Au镀层的紧密接触。

图2.1 Ag-Au 烧结接头剪切强度

图2.2 Ag-Au接头断裂面及相应的元素分布图(a)污染后(b) 等离子清洗后 

图2.3 Ag-Au 接头(a、b)污染后和(c、d)等离子清洗后截面 SEM 图像