SiC功率器件的封裝技術(shù)

具有成本效益的大功率高溫半導(dǎo)體器件是應(yīng)用于微電子技術(shù)的基本元件。SiC是寬帶隙半導(dǎo)體材料，與Si相比，它在應(yīng)用中具有諸多優(yōu)勢(shì)。由于具有較寬的帶隙，SiC器件的工作溫度可高達(dá)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(duì)系統(tǒng)熱預(yù)算的要求。此外，SiC器件還具有較高的熱導(dǎo)率、高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、高飽和漂移速率、高熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，其擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度比同類(lèi)Si器件要高。

傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)是采用鉛或無(wú)鉛焊接合金把器件的一個(gè)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(jiān)固性。當(dāng)前對(duì)大功率、高溫器件封裝技術(shù)的大量需求引起了對(duì)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(dǎo)電層，且具有高熱導(dǎo)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?yàn)樗哂泻侠淼臒釋?dǎo)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(yīng)力，卻要以熱疲勞和低強(qiáng)度為代價(jià)，而硬焊具有高強(qiáng)度卻無(wú)法消除應(yīng)力。瞬態(tài)液相鍵合技術(shù)要求使用一個(gè)擴(kuò)散勢(shì)壘，以防止Si3N4襯底上的銅金屬化層與用來(lái)鍵合SiC芯片的Au層之間的互擴(kuò)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(shí)現(xiàn)2.5cm×2.5cm無(wú)孔隙芯片粘接的技術(shù)。此外，還對(duì)Si3N4活性金屬釬焊(AMB)襯底上應(yīng)用的Au-In和Ag-In瞬態(tài)液相鍵合技術(shù)進(jìn)行了研究。

實(shí)驗(yàn)

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(gè)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(guò)化學(xué)腐蝕法去除表面殘留的氧化物，然后在高溫真空腔室中進(jìn)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(shè)計(jì)要求為鍵合過(guò)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(duì)準(zhǔn)容差在±0.0254mm范圍內(nèi)。

首先，把預(yù)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(yù)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(lái)進(jìn)行冷卻循環(huán)。隨后把封裝元件進(jìn)行組裝。先把電源和控制信號(hào)連接裝置鍵合到DBC襯底的適當(dāng)位置，再把連接管殼與外部元件的電源和信號(hào)連接線固定到側(cè)壁板上，接下來(lái)對(duì)側(cè)壁包封進(jìn)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(duì)SiN襯底上用于瞬態(tài)液相(TLP)鍵合工藝的另外兩種無(wú)鉛芯片粘接系統(tǒng)進(jìn)行了研究。在鍵合過(guò)程中，通過(guò)互擴(kuò)散在基本金屬層之間加入低熔點(diǎn)間隔層，從而在鍵合溫度下實(shí)現(xiàn)等溫固化。通過(guò)使用液相鍵合法使焊點(diǎn)的完整性得到了提高，而且固化完成之后，焊點(diǎn)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(duì)兩種無(wú)鉛合成焊料：Ag-In和Au-In系統(tǒng)進(jìn)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(kuò)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(shuō)明這種方法是切實(shí)可行的。薄的Au層可防止Ag的氧化，這樣就無(wú)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(gè)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(guò)程中，In-AgIn2化合物中的In層在157℃時(shí)熔化。當(dāng)溫度逐漸上升至210℃時(shí)，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(lái)。隨著In的進(jìn)一步熔化，逐漸脫離AgIn2金屬間化合物層，通過(guò)固態(tài)-液態(tài)互擴(kuò)散使Si3N4 AMB襯底上的Au和Ag層浸潤(rùn)并分解出來(lái)。液相In與Ag和Au相互作用形成更多的AgIn2和AuIn2化合物。通過(guò)這種反應(yīng)形成了焊點(diǎn)。由于與Ag相比，Au的含量非常少，因此它對(duì)焊點(diǎn)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(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，金屬間化合物不斷增多。如果持續(xù)反應(yīng)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(diǎn)，Ag-In系統(tǒng)中Ag和In的成份比例應(yīng)為74.2wt%Ag和25.8wt%In。

同樣，在加熱過(guò)程中，In-AuIn2化合物中的In層在157℃時(shí)熔化。熔化的In從AuIn2金屬間化合物層分解出來(lái)，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(rùn)并分解，形成更多的AuIn2。反應(yīng)發(fā)生后把系統(tǒng)冷卻到室溫，就形成固態(tài)焊點(diǎn)。如果要使各種材料相互作用后形成均勻的焊點(diǎn)，Au-In系統(tǒng)中Au和In的成份比例應(yīng)為76wt%Au和24wt%In。為了測(cè)試焊點(diǎn)的可靠性，把樣品放置在大氣環(huán)境中，并在400℃高溫下進(jìn)行了100小時(shí)的熱存貯實(shí)驗(yàn)。

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(guò)對(duì)封裝產(chǎn)品的掃描聲學(xué)顯微實(shí)驗(yàn)證明，采用Sn96.5-Ag3.5焊料實(shí)現(xiàn)了無(wú)孔隙芯片粘接。電學(xué)測(cè)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(jìn)行瞬態(tài)液相鍵合，所實(shí)現(xiàn)的Ag-In焊點(diǎn)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(guò)對(duì)焊點(diǎn)的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)了四個(gè)不同的相：Ag、AgIn2、AuIn2和Ag2In，這一點(diǎn)通過(guò)EDX重量百分比分析得到了證實(shí)。圖2(a)中所示的焊點(diǎn)的白色顆粒上半部分為AgIn2。通過(guò)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(diǎn)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(guò)與SiC芯片上In層的相互作用形成了Ag2In。圖2(b)表示了焊點(diǎn)在大氣環(huán)境中、400℃下經(jīng)過(guò)100小時(shí)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(guò)芯片的抗拉和切變強(qiáng)度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Au76-In24和Ag74-In26焊點(diǎn)的抗拉和鍵合強(qiáng)度最小，這一點(diǎn)與MIL標(biāo)準(zhǔn)相一致。事實(shí)上，熱老化可以改進(jìn)抗拉強(qiáng)度，使之達(dá)到最小抗拉強(qiáng)度的兩倍左右。

結(jié)論

使用三種無(wú)鉛焊料系統(tǒng)：Sn96.5-Ag3.5、Ag74.2-In25.8和Au76-In24幾乎實(shí)現(xiàn)了無(wú)孔隙焊點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)看到，焊點(diǎn)厚度在熱退火之前和之后保持不變，400℃下退火100小時(shí)后的Ag-In和Au-In焊點(diǎn)幾乎沒(méi)有出現(xiàn)退化現(xiàn)象，熱老化改進(jìn)了焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度。