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導熱金剛石同大尺寸芯片的低溫燒結銀連接工藝

發布時間：2022-07-27 發布時間：142 發布時間：


引 言 


近十幾年電子通訊行業飛速發展，小型化?集成化已成為未來許多高密度?高功率?以及高性能芯片領域未來發展的必然趨勢，但隨之而來的便是由于發熱造成的芯片損壞?設備失效等問題[1?2]，因此對于為電子元件提供連接?阻隔?散熱?機械支撐和物理保護的電子封裝工藝提出了嚴峻考驗[3]?電子封裝工藝涉及從半導體晶圓的第一級封裝開始到更高級別的封裝，例如芯片與芯片?芯片與基板以及基板與基板之間的封裝都會逐級引入界面層，阻礙熱量的傳播[4]?


相比傳統封裝材料(如焊料合金[5]和導電膠黏劑[6])依賴于焊料合金的熔化和凝固，納米/微米級銀漿具有低的燒結溫度(<300 ℃)?燒結后具有高熔點(960 ℃)?高電導率(4.1×107S/m)以及高熱導率(>200 W/m·K)等許多潛在優勢[7]，因此在國內外已被廣泛應用于電子封裝領域，展現出許多潛在優勢[7]?同時，由于金剛石具有高導熱?耐高溫?抗腐蝕?抗輻照等優異性能，在高頻和大功率微電子等領域都有著重要的應用前景?但如何將高導熱金剛石應用于電子封裝領域仍存在諸多問題:由于金剛石硬度高?加工難?易造成基板粗糙和變形，以及大多數金屬或合金都難有效潤濕金剛石表面，且在燒結過程中有機物的揮發和界面分子中粘合劑分子燒盡困難等，以往的燒結銀漿大多數情況下僅適用于 4 mm×4mm 或更小尺寸的界面燒結[8?9]，因此通過銀燒結對金剛石進行大面積界面的互連具有一定挑戰性?

本文通過一種微米級銀漿實現了連接大面積(>100 mm2)半導體硅片和金剛石的低溫低壓燒結技術?采用 Ti/Au 薄膜對金剛石和硅表面金屬化處理，增強界面處原子擴散，并改進工藝流程利用商用燒結銀膏在 200 ℃下低溫燒結?通過超聲波掃描顯微鏡和電子顯微鏡對結合層進行分析，觀察到結合均勻的燒結界面，對大尺寸高溫電子器件散熱方面具有重要應用價值?

1、實驗過程


本實驗所采用的 10×10 mm 多晶金剛石為實驗室通過化學氣相沉積法生長獲得，經過研磨拋光后表面粗糙度小于10 nm? 燒結銀漿型號為ASP295?09P9，購買于 Heraeus 公司?首先對金剛石及硅基片在丙酮和去離子水中分別超聲清洗 5min 以去除表面污染物?在實驗中發現直接通過銀漿燒結連接金剛石?硅后，銀層同基材表面結合性較差?為了改善基材和銀漿的燒結效果，通過磁控濺射技術分別在金剛石和硅表面鍍覆 3 nm Ti 及 30nm Au，然后可控地通過模板印刷涂覆一定厚度銀漿(20~70 μm)，并在 160 ℃下進行預烘干后加壓貼合并快速升溫形成燒結，實驗步驟如圖 1 所示?
微信圖片_20220727084115.png
圖 1 燒結銀連接金剛石-硅流程示意圖


2、 結果與討論


2.1 銀漿燒結工藝及表征


燒結銀膏中通常含有有機包覆層的納/微米銀顆粒和有機溶劑，實驗中發現，如果烘干不足會導致樣品中心或底層溶劑殘留，在后續壓合迅速升溫燒結過程中殘留溶劑難以揮發，會產生沸騰形成河流狀微裂紋[10]，或者不完全分解形成焦黃色殘留物?但如果烘干時間較長則不利于緊密貼合，在結合面出現局部分層現象，或需要更大的壓力?本文通過大量實驗確定燒結工藝，最終確定的工藝條件曲線如圖 2 所示，在升溫至 160 ℃并保溫 30 min 后將樣品取出，并在 50 kPa 下壓合 30 min 后迅速升溫至 200 ℃燒結?
微信圖片_20220727084121.png
圖 2 燒結銀溫度工藝曲線

圖 3 為不同燒結階段銀漿的掃描電子顯微鏡圖?圖 3(a，b)展現了在烘干階段銀漿的形貌圖，可看到尺寸為 0.2~5.0 μm 的片狀銀粒均勻分散在基體中，隨著溶劑的揮發，銀顆粒開始重新排列并彼此之間逐漸形成接觸?圖 3(c)為在 200 ℃燒結 30min 后的銀漿形貌，此階段 Ag 顆粒彼此之間的接觸點將逐漸通過原子擴散形成連接[11]?圖 3(d)展示了燒結后的銀漿形貌，可看到通過燒結后銀粒的形貌發生了變化，并呈現致密化趨勢，通常需要在燒結過程中加至 5 MPa 以上的壓力來提高這種致密化的程度，以有效提高界面處熱傳導?

微信圖片_20220727084125.png

圖 3 不同階段銀漿掃描電子顯微鏡圖：（a）30 min 升溫至
160 ℃；（b）繼續 160 ℃保溫 30 min；（c）200 ℃燒結 30
min；（d）燒結結束后

2.2 結合面微觀組織觀察和成分分析


對金剛石?硅的結合面微觀形貌進行觀察分析，圖 4 為材料結合面截面的掃描電子顯微鏡圖?圖 4(a)為燒結后截面的掃描電子顯微鏡圖，可看到金剛石和硅芯片之間形成了良好的結合界面，結合層總厚約 20 μm，并未發現銀在界面處的分層，表明通過印刷雙面涂覆較薄的銀膠層，并在預烘干后施加低壓輔助燒結可避免結合面出現分層?空洞等問題?通過 ImageJ圖像處理軟件對結合界面進行處理，得到較低的界面空隙率，約為 9.88%，如圖 4(b)所示?

微信圖片_20220727084129.png

圖 4 （a）結合界面處掃描電子顯微鏡圖；（b）ImageJ 圖像
處理計算孔隙率    


本文還對樣品進行了中間層等效熱阻值的測試?計算和分析，等效熱阻擬合曲線如圖 5 所示，黑線為實驗中探測器所測量出的信號，可以認為等價于樣品表面的溫升(主要考慮溫升變化隨時間關系)?在已知樣品尺寸?兩側材料熱擴散系數?熱容和密度以及待測結合材料的熱容和密度等性質的情況下，測量系統用激光對硅片表面進行加熱，利用紅外探測器檢測金剛石表面溫度偏移，并通過瞬態傳熱方程計算出中間層的熱擴散系數，最后利用下面兩個公式計算出結合材料的熱導率和熱阻:

微信圖片_20220727084137.png



其中，λ為導熱系數，單位 W/m·K;ρ為材料密度，單位 kg/m3;CP 為比熱容，單位 J/kg·K;D 為熱擴散系數，單位 m2/s;d 為材料厚度，單位m;R 為熱阻值，單位 m2·K/W?

微信圖片_20220727084145.png

圖 5 燒結銀層等效熱阻擬合曲線


最終金剛石?銀?硅三層模型所擬合出的中間層等效熱阻約為 1.38×10-5m2·K/W，如圖 5 中紅色曲線所示?雖然通過該工藝可燒結大尺寸金剛石?硅等材料，并顯著減少結合面處的空洞?分層等現象，但后續仍需提高致密化趨勢 ，以便顯著降低熱阻值?

圖6 展示了結合后的 10×10mm 金剛石?硅的超聲波掃描圖，可看到通過該工藝實現了大尺寸芯片同高導熱金剛石的良好結合，結合均勻無明顯缺陷，整體效果優良?但目前對于銀顆粒燒結致密化問題，還只能通過提高燒結壓力?溫度及延長燒結時間等手段來控制，這不僅增加了工藝成本，同時也可能對芯片本身造成損壞?

微信圖片_20220727084150.png


圖 6 金剛石-硅結合層掃描聲學顯微鏡圖

3 、結論


對金剛石和硅表面金屬化后，采用雙面印刷工藝涂覆銀膠，并控制在 160 ℃下預烘干后施加低壓使其保持貼合 30min，然后轉入 200 ℃下進行燒結，實現了大尺寸芯片和高導熱金剛石(10×10mm)的良好結合效果，整個結合層無明顯的缺陷?在該方法基礎上可改進開發高導熱金剛石的散熱應用，有望解決目前高功率芯片及模塊的發熱高?散熱難等問題?

 

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