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隨著微電子技術的不斷發展,電子元件正朝著更高集成度和更高頻率的方向發展,這就要求電子器件能夠承受高溫和高頻振動等惡劣的工作環境。在雷達微波通訊、航空航天裝備、電網電能逆變以及新能源汽車電控係統等大功率芯片的核心應用場景裏,對功率器件的可靠性提出了近乎苛刻的標準。如今,這些器件不僅要滿足更高電流承載的需求,還得在高溫高濕度等極端環境下持續穩定工作,使得器件在實際使用中麵臨著全新且棘手的難題。而以碳化矽(SiC)和氮化镓(GaN)作為典型代表的第三代寬禁帶半導體材料以其獨特的優勢運營而生,它們擁有化學穩定性好、高擊穿電壓、高功率密度、高電子遷移率以及低介電常數等卓越特性。這些優勢不僅使SiC芯片在運算效率上實現了顯著提升,還賦予了其在嚴酷服役環境中穩定工作的能力,為滿足大功率芯片應用領域的需求提供了更可靠的解決方案。

然而,這對功率芯片的封裝技術也提出了更高的要求,要求電子器件可以在高熔點,高低溫循環條件下保持穩定,並且具有較高的機械強度和導電、導熱性能。對此,提出了多種互連技術來滿足以上需求,比如高溫合金釺料釺焊技術,瞬時液相連接技術和低溫燒結銀連接技術。

燒結銀技術相較於傳統的合金釺焊材料,具有更大的優勢。它由微米級、納米級銀顆粒構成,憑借較大的表麵自由能,銀原子在低溫下就能擴散,從而實現致密化。憑借這一特性,燒結銀技術展現出優異的導熱性、導電性與機械性能,為高功率器件的穩定運行提供有力支撐。

在電子封裝過程中,基板表麵清潔度對焊接處有重要影響,然而,在製造過程中,很多方麵都會影響到表麵清潔度,比如製造工藝、封裝材料等,譬如本文章中使用的燒結銀,它是由有機溶劑和不同大小的銀顆粒組成,在製備和使用過程中有機溶劑會揮發導致基板背麵受到汙染物,然而為了節約空間,使電子產品更小型化,往往會采用雙麵封裝,這將影響到基板另一麵的鍵合。因此,在本文中研究燒結銀產生的有機汙染物以及影響鍍金基底與芯片之間的結合質量的微觀機製至關重要。

草莓视频APPIOS下载清洗對表麵汙染物的影響

將汙染基板置於草莓视频APPIOS下载清洗機真空腔體內,分別經氧氣氬氣草莓视频APPIOS下载混合清洗(功率980W,時間300s)。汙染基板經GC-MS檢測出多種有機汙染物,如烷烴、醇類、醛類等。而草莓视频APPIOS下载清洗後的基板檢測到烷烴類等汙染物幾乎完全消除,結果如圖1.1所示,有機物的峰都大大降低甚至消失,樣品表麵有機汙染物種類和含量顯著減少。說明草莓视频APPIOS下载轟擊誘導了表麵氧化活化,大部分有機汙染物被分解為小分子揮發去除。這使得樣品表麵化學組成趨於潔淨,表麵能提高,有利於後續燒結過程中燒結銀與基板間的相互作用。

圖1 鍍金基板的總離子色譜圖(TIC)(a)汙染基板(b)草莓视频APPIOS下载清洗基板 

草莓视频APPIOS下载清洗後燒結接頭的燒結質量

草莓视频APPIOS下载清洗對Ag-Au燒結接頭的鍵合強度具有顯著優化作用,將草莓视频APPIOS下载清洗後的基板與半燒結銀膏進行燒結。對燒結接頭進行剪切強度、斷麵分析和微觀組織的表征,評價其鍵合質量。如圖2.1所示,未清洗的汙染樣品的平均剪切強度僅為24.4MPa,而經草莓视频APPIOS下载清洗後,剪切強度提升至34.2MPa(增幅達40.2%),幾乎與未汙染樣品達到統一水平。將汙染樣品與清洗後樣品的斷口形貌進行對比(圖2.2),草莓视频APPIOS下载清洗後的樣品雖然與汙染後的樣品同樣表現為複合失效(上界麵+燒結銀),但燒結銀區域占比高達70%,進一步說明草莓视频APPIOS下载清洗後的樣品Ag-Au界麵結合力更強。微觀組織分析進一步證明了草莓视频APPIOS下载清洗對燒結質量的優化,如圖2.3所示,未清洗樣品Ag-Au結合界麵處存在大量不規則孔洞,根據ImageJ軟件統計,界麵連接率為38.2%,且Ag顆粒呈鬆散堆積狀態(圖2.3a)。經草莓视频APPIOS下载清洗後,界麵處連接率增至60.3%,Ag顆粒通過表麵擴散形成致密的燒結頸結構,界麵處Ag-Au互擴散層連續(圖2.3d)。這種形貌變化歸因於草莓视频APPIOS下载清洗有效去除了吸附在基板表麵的碳氫化合物,從而消除了汙染物對Ag顆粒與Au鍍層界麵結合的物理阻隔,進而促進了Ag顆粒與Au鍍層的緊密接觸。

圖2.1 Ag-Au 燒結接頭剪切強度

圖2.2 Ag-Au接頭斷裂麵及相應的元素分布圖(a)汙染後(b) 草莓视频APPIOS下载清洗後 

圖2.3 Ag-Au 接頭(a、b)汙染後和(c、d)草莓视频APPIOS下载清洗後截麵 SEM 圖像