具有成本效益的大功率高溫半導體器件是應用于微電子技術(shù)的基本元件。SiC是寬帶隙半導體材料，與Si相比，它在應用中具有諸多優(yōu)勢。由于具有較寬的帶隙，SiC器件的工作溫度可高達600℃，而Si器件的最高工作溫度局限在175℃。SiC器件的高溫工作能力降低了對系統(tǒng)熱預算的要求。此外，SiC器件還具有較高的熱導率、高擊穿電場強度、高飽和漂移速率、高熱穩(wěn)定性和化學惰性，其擊穿電場強度比同類Si器件要高。

傳統(tǒng)的功率半導體封裝技術(shù)是采用鉛或無鉛焊接合金把器件的一個端面貼合在熱沉襯底上，另外的端面與10-20mil鋁線楔或金線鍵合在一起。這種方法在大功率、高溫工作條件下缺乏可靠性，而且不具備足夠的堅固性。當前對大功率、高溫器件封裝技術(shù)的大量需求引起了對這一領(lǐng)域的研發(fā)熱潮。

SiC器件的封裝襯底必須便于處理固態(tài)銅厚膜導電層，且具有高熱導率和低熱膨脹系數(shù)，從而可以把大尺寸SiC芯片直接焊接到襯底上。SiN是一種極具吸引力的襯底，因為它具有合理的熱導率(60W/m-K)和低熱膨脹系數(shù)(2.7ppm/℃)，與SiC的熱膨脹系數(shù) (3.9ppm/℃)十分接近。焊接是把芯片與襯底貼合在一起的最常用方法。使用軟焊可以消除應力，卻要以熱疲勞和低強度為代價，而硬焊具有高強度卻無法消除應力。瞬態(tài)液相鍵合技術(shù)要求使用一個擴散勢壘，以防止Si3N4襯底上的銅金屬化層與用來鍵合SiC芯片的Au層之間的互擴散，這種技術(shù)還可用于高溫下的芯片粘接。

本文介紹了一種使用Sn96.5-Ag3.5焊膏實現(xiàn)2.5cm×2.5cm無孔隙芯片粘接的技術(shù)。此外，還對Si3N4活性金屬釬焊(AMB)襯底上應用的Au-In和Ag-In瞬態(tài)液相鍵合技術(shù)進行了研究。

實驗

本研究選擇Sn96.5-Ag3.5焊膏，采用直接覆銅 (DBC)襯底作為SiC功率器件的封裝襯底。DBC襯底使用了一個夾在兩片0.2032mm銅板之間的0.381mm AlN陶瓷板，銅板與AlN陶瓷熱鍵合在一起。使用干膜光刻工藝在DBC襯底上制作圖形，并采用噴霧刻蝕法把DBC襯底上多余的銅刻蝕掉。在燒杯中通過化學腐蝕法去除表面殘留的氧化物，然后在高溫真空腔室中進行干法腐蝕。使用SST 3130真空/壓力爐完成芯片和DBC襯底的粘接。此外按照封裝設計要求為鍵合過程中元件的支撐定位加工了鋼制或石墨工具。這種鍵合技術(shù)允許零件的對準容差在±0.0254mm范圍內(nèi)。

首先，把預成型的Sn96.5-Ag3.5焊料切割成SiC芯片的尺寸。然后把鍵合工具、基板、預成型焊料、DBC襯底以及芯片按順序放置到加熱腔中。把整套裝置放到爐內(nèi)，在60秒內(nèi)升溫至液相線溫度240℃，接下來進行冷卻循環(huán)。隨后把封裝元件進行組裝。先把電源和控制信號連接裝置鍵合到DBC襯底的適當位置，再把連接管殼與外部元件的電源和信號連接線固定到側(cè)壁板上，接下來對側(cè)壁包封進行組裝。隨后把銅絞線放入DBC襯底上的連接裝置中，從而形成完整的封裝。

除了Sn96.5-Ag3.5焊料外，還對SiN襯底上用于瞬態(tài)液相(TLP)鍵合工藝的另外兩種無鉛芯片粘接系統(tǒng)進行了研究。在鍵合過程中，通過互擴散在基本金屬層之間加入低熔點間隔層，從而在鍵合溫度下實現(xiàn)等溫固化。通過使用液相鍵合法使焊點的完整性得到了提高，而且固化完成之后，焊點可以經(jīng)受比鍵合溫度更高的工作溫度。

采用瞬態(tài)液相鍵合工藝對兩種無鉛合成焊料：Ag-In和Au-In系統(tǒng)進行了研究。Ag-In系統(tǒng)在10-6torr高真空循環(huán)條件下把3μm厚的In層和0.05μm厚的Ag層成功濺射到SiC芯片上，以防止In的氧化。Au-In系統(tǒng)把3μm厚的In層和0.05μm厚的Au層淀積在SiC芯片上。由于具有高互擴散系數(shù)，淀積完成后Ag幾乎馬上與In相互作用生成AgIn2化合物層，而In-Au系統(tǒng)則生成AuIn2層。然后把SiC芯片鍵合到SiN襯底上的金屬化堆疊上，由于含有Au和Ag濺射層，因此不必使用助焊劑或清洗液。由于原位生成了穩(wěn)定的金屬間化合物AgIn2和AuIn2，說明這種方法是切實可行的。薄的Au層可防止Ag的氧化，這樣就無需使用助焊劑。這種方法與其它使用助焊劑去除氧化層從而完成鍵合的In基鍵合工藝大相徑庭。

Si3N4 AMB金屬化襯底含有Au或Ag濺射層，并且包含Si3N4/Cu/WC/Ti/ Pt/Ti/Au堆疊。將其放置在不銹鋼加熱腔中，并把SiC芯片放置在襯底上。采用40psi靜態(tài)壓力把芯片和襯底連接在一起，確保它們之間的緊密接觸。然后把整個組件裝載到退火爐中。爐溫上升到210℃，在富氮環(huán)境中保持這一溫度10分鐘，以防止In的氧化。然后組件在爐中冷卻到室溫以防止氧化。

在加熱過程中，In-AgIn2化合物中的In層在157℃時熔化。當溫度逐漸上升至210℃時，在40psi壓力作用下，白色的液相In逐漸從鍵合SiC芯片與襯底之間的界面擠壓出來。隨著In的進一步熔化，逐漸脫離AgIn2金屬間化合物層，通過固態(tài)-液態(tài)互擴散使Si3N4 AMB襯底上的Au和Ag層浸潤并分解出來。液相In與Ag和Au相互作用形成更多的AgIn2和AuIn2化合物。通過這種反應形成了焊點。由于與Ag相比，Au的含量非常少，因此它對焊點結(jié)構(gòu)的影響并不明顯。隨著溫度升高到166℃以上，Ag和In之間的反應繼續(xù)進行，金屬間化合物不斷增多。如果持續(xù)反應下去，最終將耗盡所有的In。如果要使各種材料相互作用后形成均勻的焊點，Ag-In系統(tǒng)中Ag和In的成份比例應為74.2wt%Ag和25.8wt%In。

同樣，在加熱過程中，In-AuIn2化合物中的In層在157℃時熔化。熔化的In從AuIn2金屬間化合物層分解出來，形成富In的Au和AuIn2混合物。這種混合物使Si3N4襯底上的Au浸潤并分解，形成更多的AuIn2。反應發(fā)生后把系統(tǒng)冷卻到室溫，就形成固態(tài)焊點。如果要使各種材料相互作用后形成均勻的焊點，Au-In系統(tǒng)中Au和In的成份比例應為76wt%Au和24wt%In。為了測試焊點的可靠性，把樣品放置在大氣環(huán)境中，并在400℃高溫下進行了100小時的熱存貯實驗。

結(jié)果與討論

圖1中(a)和(b)分別是部分和完整封裝組件的照片，SiC芯片采用12mil (0.3048mm)Al鍵合引線鍵合到DBC襯底上。通過對封裝產(chǎn)品的掃描聲學顯微實驗證明，采用Sn96.5-Ag3.5焊料實現(xiàn)了無孔隙芯片粘接。電學測試證明這種封裝器件可以經(jīng)受100A電流的沖擊。

如圖2(a)所示，鍵合之后立即進行瞬態(tài)液相鍵合，所實現(xiàn)的Ag-In焊點的厚度非常均勻。根據(jù)SEM圖可以看到，鍵合層的厚度約為8.5μm。通過對焊點的檢測發(fā)現(xiàn)了四個不同的相：Ag、AgIn2、AuIn2和Ag2In，這一點通過EDX重量百分比分析得到了證實。圖2(a)中所示的焊點的白色顆粒上半部分為AgIn2。通過EDX分析確定中間和下半部分為Ag2In層，正好覆蓋在純Ag層上，純Ag層位于焊點下部與Si3N4 AMB襯底的交界處。顯然，淀積在Si3N4襯底上的5.5μm厚的Ag層通過與SiC芯片上In層的相互作用形成了Ag2In。圖2(b)表示了焊點在大氣環(huán)境中、400℃下經(jīng)過100小時熱存貯后得到的結(jié)果。如圖所示，Ag元素覆蓋均勻，形成富Ag的Ag-In合金，即使在Si3N4襯底上最早淀積Ag的位置發(fā)現(xiàn)了純Ag相，合金中Ag的成份仍占70-75wt%。

通過芯片的抗拉和切變強度試驗發(fā)現(xiàn)，Au76-In24和Ag74-In26焊點的抗拉和鍵合強度最小，這一點與MIL標準相一致。事實上，熱老化可以改進抗拉強度，使之達到最小抗拉強度的兩倍左右。

結(jié)論

使用三種無鉛焊料系統(tǒng)：Sn96.5-Ag3.5、Ag74.2-In25.8和Au76-In24幾乎實現(xiàn)了無孔隙焊點。實驗看到，焊點厚度在熱退火之前和之后保持不變，400℃下退火100小時后的Ag-In和Au-In焊點幾乎沒有出現(xiàn)退化現(xiàn)象，熱老化改進了焊點的抗拉強度。