導(dǎo)熱金剛石同大尺寸芯片的低溫?zé)Y(jié)銀連接工藝
發(fā)布時(shí)間：2024-03-09
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引 言
近十幾年電子通訊行業(yè)飛速發(fā)展，小型化?集成化已成為未來(lái)許多高密度?高功率?以及高性能芯片領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)，但隨之而來(lái)的便是由于發(fā)熱造成的芯片損壞?設(shè)備失效等問(wèn)題[1?2]，因此對(duì)于為電子元件提供連接?阻隔?散熱?機(jī)械支撐和物理保護(hù)的電子封裝工藝提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)[3]?電子封裝工藝涉及從半導(dǎo)體晶圓的級(jí)封裝開(kāi)始到更別的封裝，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(huì)逐級(jí)引入界面層，阻礙熱量的傳播[4]?
相比傳統(tǒng)封裝材料(如焊料合金[5]和導(dǎo)電膠黏劑[6])依賴(lài)于焊料合金的熔化和凝固，納米/微米級(jí)銀漿具有低的燒結(jié)溫度(<300 ℃)?燒結(jié)后具有高熔點(diǎn)(960 ℃)?高電導(dǎo)率(4.1×107S/m)以及高熱導(dǎo)率(>200 W/m·K)等許多潛在優(yōu)勢(shì)[7]，因此在國(guó)內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)域，展現(xiàn)出許多潛在優(yōu)勢(shì)[7]?同時(shí)，由于金剛石具有高導(dǎo)熱?耐高溫?抗腐蝕?抗輻照等優(yōu)異性能，在高頻和大功率微電子等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用前景?但如何將高導(dǎo)熱金剛石應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)域仍存在諸多問(wèn)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(shù)金屬或合金都難有效潤(rùn)濕金剛石表面，且在燒結(jié)過(guò)程中有機(jī)物的揮發(fā)和界面分子中粘合劑分子燒盡困難等，以往的燒結(jié)銀漿大多數(shù)情況下僅適用于 4 mm×4mm 或更小尺寸的界面燒結(jié)[8?9]，因此通過(guò)銀燒結(jié)對(duì)金剛石進(jìn)行大面積界面的互連具有一定挑戰(zhàn)性?本文通過(guò)一種微米級(jí)銀漿實(shí)現(xiàn)了連接大面積(>100 mm2)半導(dǎo)體硅片和金剛石的低溫低壓燒結(jié)技術(shù)?采用 Ti/Au 薄膜對(duì)金剛石和硅表面金屬化處理，增強(qiáng)界面處原子擴(kuò)散，并改進(jìn)工藝流程利用商用燒結(jié)銀膏在 200 ℃下低溫?zé)Y(jié)?通過(guò)超聲波掃描顯微鏡和電子顯微鏡對(duì)結(jié)合層進(jìn)行分析，觀察到結(jié)合均勻的燒結(jié)界面，對(duì)大尺寸高溫電子器件散熱方面具有重要應(yīng)用價(jià)值?1、實(shí)驗(yàn)過(guò)程
本實(shí)驗(yàn)所采用的 10×10 mm 多晶金剛石為實(shí)驗(yàn)室通過(guò)化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)獲得，經(jīng)過(guò)研磨拋光后表面粗糙度小于10 nm? 燒結(jié)銀漿型號(hào)為ASP295?09P9，購(gòu)買(mǎi)于 Heraeus 公司?首先對(duì)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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)直接通過(guò)銀漿燒結(jié)連接金剛石?硅后，銀層同基材表面結(jié)合性較差?為了改善基材和銀漿的燒結(jié)效果，通過(guò)磁控濺射技術(shù)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(guò)模板印刷涂覆一定厚度銀漿(20~70 μm)，并在 160 ℃下進(jìn)行預(yù)烘干后加壓貼合并快速升溫形成燒結(jié)，實(shí)驗(yàn)步驟如圖 1 所示?2、 結(jié)果與討論
2.1 銀漿燒結(jié)工藝及表征
燒結(jié)銀膏中通常含有有機(jī)包覆層的納/微米銀顆粒和有機(jī)溶劑，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如果烘干不足會(huì)導(dǎo)致樣品中心或底層溶劑殘留，在后續(xù)壓合迅速升溫?zé)Y(jié)過(guò)程中殘留溶劑難以揮發(fā)，會(huì)產(chǎn)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(shí)間較長(zhǎng)則不利于緊密貼合，在結(jié)合面出現(xiàn)局部分層現(xiàn)象，或需要更大的壓力?本文通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)確定燒結(jié)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(jié)?圖 3 為不同燒結(jié)階段銀漿的掃描電子顯微鏡圖?圖 3(a，b)展現(xiàn)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(fā)，銀顆粒開(kāi)始重新排列并彼此之間逐漸形成接觸?圖 3(c)為在 200 ℃燒結(jié) 30min 后的銀漿形貌，此階段 Ag 顆粒彼此之間的接觸點(diǎn)將逐漸通過(guò)原子擴(kuò)散形成連接[11]?圖 3(d)展示了燒結(jié)后的銀漿形貌，可看到通過(guò)燒結(jié)后銀粒的形貌發(fā)生了變化，并呈現(xiàn)致密化趨勢(shì)，通常需要在燒結(jié)過(guò)程中加至 5 MPa 以上的壓力來(lái)提高這種致密化的程度，以有效提高界面處熱傳導(dǎo)?
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(xù) 160 ℃保溫 30 min；（c）200 ℃燒結(jié) 30
min；（d）燒結(jié)結(jié)束后
2.2 結(jié)合面微觀組織觀察和成分分析
對(duì)金剛石?硅的結(jié)合面微觀形貌進(jìn)行觀察分析，圖 4 為材料結(jié)合面截面的掃描電子顯微鏡圖?圖 4(a)為燒結(jié)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(jié)合界面，結(jié)合層總厚約 20 μm，并未發(fā)現(xiàn)銀在界面處的分層，表明通過(guò)印刷雙面涂覆較薄的銀膠層，并在預(yù)烘干后施加低壓輔助燒結(jié)可避免結(jié)合面出現(xiàn)分層?空洞等問(wèn)題?通過(guò) ImageJ圖像處理軟件對(duì)結(jié)合界面進(jìn)行處理，得到較低的界面空隙率，約為 9.88%，如圖 4(b)所示?
圖 4 （a）結(jié)合界面處掃描電子顯微鏡圖；（b）ImageJ 圖像
處理計(jì)算孔隙率
本文還對(duì)樣品進(jìn)行了中間層等效熱阻值的測(cè)試?計(jì)算和分析，等效熱阻擬合曲線如圖 5 所示，黑線為實(shí)驗(yàn)中探測(cè)器所測(cè)量出的信號(hào)，可以認(rèn)為等價(jià)于樣品表面的溫升(主要考慮溫升變化隨時(shí)間關(guān)系)?在已知樣品尺寸?兩側(cè)材料熱擴(kuò)散系數(shù)?熱容和密度以及待測(cè)結(jié)合材料的熱容和密度等性質(zhì)的情況下，測(cè)量系統(tǒng)用激光對(duì)硅片表面進(jìn)行加熱，利用紅外探測(cè)器檢測(cè)金剛石表面溫度偏移，并通過(guò)瞬態(tài)傳熱方程計(jì)算出中間層的熱擴(kuò)散系數(shù)，最后利用下面兩個(gè)公式計(jì)算出結(jié)合材料的熱導(dǎo)率和熱阻:
其中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，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(kuò)散系數(shù)，單位 m2/s;d 為材料厚度，單位m;R 為熱阻值，單位 m2·K/W?
圖 5 燒結(jié)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(guò)該工藝可燒結(jié)大尺寸金剛石?硅等材料，并顯著減少結(jié)合面處的空洞?分層等現(xiàn)象，但后續(xù)仍需提高致密化趨勢(shì) ，以便顯著降低熱阻值?圖6 展示了結(jié)合后的 10×10mm 金剛石?硅的超聲波掃描圖，可看到通過(guò)該工藝實(shí)現(xiàn)了大尺寸芯片同高導(dǎo)熱金剛石的良好結(jié)合，結(jié)合均勻無(wú)明顯缺陷，整體效果優(yōu)良?但目前對(duì)于銀顆粒燒結(jié)致密化問(wèn)題，還只能通過(guò)提高燒結(jié)壓力?溫度及延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間等手段來(lái)控制，這不僅增加了工藝成本，同時(shí)也可能對(duì)芯片本身造成損壞?
圖 6 金剛石-硅結(jié)合層掃描聲學(xué)顯微鏡圖3 、結(jié)論
對(duì)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(yù)烘干后施加低壓使其保持貼合 30min，然后轉(zhuǎn)入 200 ℃下進(jìn)行燒結(jié)，實(shí)現(xiàn)了大尺寸芯片和高導(dǎo)熱金剛石(10×10mm)的良好結(jié)合效果，整個(gè)結(jié)合層無(wú)明顯的缺陷?在該方法基礎(chǔ)上可改進(jìn)開(kāi)發(fā)高導(dǎo)熱金剛石的散熱應(yīng)用，有望解決目前高功率芯片及模塊的發(fā)熱高?散熱難等問(wèn)題?
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