姜涵寧 李 欣 梅云輝

（天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350）

0 引言

隨著寬禁帶半導(dǎo)體的使用，航天功率電子器件處理的電流與電壓變大，產(chǎn)生更多熱量，影響器件壽命［1］。另外，太空中高輻射、大溫差等惡劣環(huán)境，對(duì)功率器件封裝可靠性提出了新的要求。在功率模塊封裝結(jié)構(gòu)中，最重要的是芯片與基板（芯片連接，Die Bonding，＞100 mm2）以及基板與底板（基板連接，Substrate Bonding，＞500 mm2）之間的連接。作為保證界面散熱的關(guān)鍵通道，連接層的高溫可靠工作和散熱能力尤為重要［2-4］。

傳統(tǒng)的錫鉛焊料和無(wú)鉛焊料的熔點(diǎn)較低，無(wú)法滿足大功率IGBT器件中熱界面材料的要求，且在高溫、震動(dòng)等惡劣環(huán)境下，焊料合金容易產(chǎn)生金屬間化合物［5］。而燒結(jié)銀具有多孔結(jié)構(gòu)，有利于消除接頭的應(yīng)力集中，在高溫下顯示出比SAC305接頭更長(zhǎng)的疲勞壽命［6-7］。另外，燒結(jié)銀具有工藝溫度低、熔點(diǎn)高、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性高等優(yōu)異性能，已成為極具前景的新型封裝界面材料［8］。近年來(lái)，小面積燒結(jié)銀已成功應(yīng)用于功率模塊中的芯片連接材料［9］，然而關(guān)于使用大面積燒結(jié)銀進(jìn)行基板連接的報(bào)道很少。若能使用燒結(jié)銀實(shí)現(xiàn)基板與底板之間的大面積互連，則將極大地提升航天功率模塊的散熱性能和可靠性［10］。然而，超大的粘接面積引發(fā)一系列問(wèn)題，如溶劑蒸發(fā)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，收縮率大和焊膏溢出。一方面，焊膏中的溶劑必須充分蒸發(fā)，以避免殘余有機(jī)物造成粘接層中的缺陷；另一方面，焊膏與上下板之間還需良好的潤(rùn)濕。

本文提出了一種單層印刷銀焊膏粘接大面積（＞500 mm2）燒結(jié)銀接頭的方法，該工藝可減少步驟并降低燒結(jié)壓力，以適用于航天功率器件中基板封裝。通過(guò)無(wú)損檢測(cè)、剪切測(cè)試和微觀形貌表征接頭性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

本文所使用的銀焊膏由銀微粒和有機(jī)物組成，固體負(fù)載量約為85%。焊膏中銀微粒的平均粒徑為2 μm，表面能較高，因此可以在遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)的溫度下完成連接，但也極易發(fā)生團(tuán)聚。因此焊膏中含有分散劑、黏合劑、稀釋劑等有機(jī)物，以確保顆粒分散／聚合物穩(wěn)定、焊膏可印刷性和流動(dòng)性。有機(jī)物在燒結(jié)之前必須去除。

大面積燒結(jié)銀接頭試樣由使用焊膏粘接的兩個(gè)直接覆銅板（DBC）制備。DBC基板尺寸為25 mm×25 mm，其中用于大面積連接的覆銅尺寸為24 mm×24 mm，陶瓷厚度為0.4 mm，兩側(cè)覆銅厚度均為0.3 mm。DBC基板表面電鍍10μm厚的銀層，以防止銅的氧化和燒結(jié)過(guò)程中的擴(kuò)散，確保良好的燒結(jié)質(zhì)量。

1.2 試樣制備

試樣制備的過(guò)程包括以下幾個(gè)步驟。首先，將厚度為100μm的焊膏絲網(wǎng)印刷到清潔的DBC下基板上，保證表面光滑均勻。為確保所有樣品尺寸一致，提高實(shí)驗(yàn)效率和可重復(fù)性，定制的夾具用于固定下基板，控制燒結(jié)銀的厚度，促進(jìn)上下DBC同心對(duì)準(zhǔn)。將試樣置于可編程精密控溫加熱板上進(jìn)行預(yù)干燥，然后將頂部DBC基板安裝到焊膏層上，形成DBC基板三明治結(jié)構(gòu)。放置一塊氟橡膠在三明治結(jié)構(gòu)上，起到緩沖均壓的作用。最后，使用本課題組自行研發(fā)的可控壓力燒結(jié)爐將樣品在280℃下在2 MPa的壓力下燒結(jié)40 min。試樣如圖1所示。

圖1 大面積燒結(jié)銀基板連接接頭示意圖Fig.1 Schematic of large-area substrate-bonding joints

1.3 工藝制定

傳統(tǒng)的小面積燒結(jié)銀工藝采用的升溫速率為5℃／min，在200℃左右停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，焊膏在相對(duì)較低的溫度下開(kāi)始燒結(jié)，致密化程度較低。另外，對(duì)流干燥導(dǎo)致干燥速度較慢，燒結(jié)時(shí)仍有大量有機(jī)物殘留造成缺陷，嚴(yán)重影響界面熱阻，削弱模塊的可靠性。

大面積燒結(jié)的挑戰(zhàn)在于溶劑排放距離和溶劑量增大，導(dǎo)致高而不均勻的孔隙率和氣泡等缺陷，限制了燒結(jié)銀在基板連接上的使用。TAN等人通過(guò)雙層印刷方法獲得大面積燒結(jié)銀接頭，輔助壓力為1.8～2.8 MPa［11］。GAO等人研究了通過(guò)雙層印刷方法制備的大面積接頭界面熱阻的二維分布［12］。但雙層印刷的方法工序復(fù)雜，并且第二層的厚度很薄，難以保證焊膏與上基板之間的完全潤(rùn)濕。

對(duì)于燒結(jié)銀而言，適當(dāng)?shù)母稍锓椒ㄊ歉哔|(zhì)量互聯(lián)的關(guān)鍵因素，必須在干燥時(shí)間和最終互連質(zhì)量之間取得平衡。為此，在燒結(jié)工藝前采用開(kāi)放式接觸干燥技術(shù)。與對(duì)流干燥等相比，開(kāi)放接觸干燥具有更大的蒸發(fā)面積，可以快速均勻地去除溶劑，同時(shí)焊膏上表面溫度相對(duì)較低，仍然保留所需的潤(rùn)濕性，因此非常適用于超大面積燒結(jié)［13-14］。另外，在大面積基板連接中，對(duì)粘接層的致密化均勻程度要求極高，以避免局部熱阻升高產(chǎn)生熱量聚集，損壞芯片。因此，在改進(jìn)工藝中，采用直接加熱至280℃的升溫速率，以快速通過(guò)非致密化燒結(jié)階段［15］。

參考圖2所示的銀焊膏的熱重分析（TGA）分析結(jié)果，制定了如下圖3燒結(jié)工藝。焊膏開(kāi)放接觸干燥溫度為有機(jī)物開(kāi)始揮發(fā)的溫度50℃，以便于控制有機(jī)物含量。燒結(jié)溫度選取有機(jī)物揮發(fā)完全溫度280℃，以保證粘結(jié)層中不產(chǎn)生缺陷。

圖2 銀焊膏熱重（TGA）分析Fig.2 Thermogravimetric analysis of silver paste

圖3 改進(jìn)的大面積燒結(jié)銀工藝示意圖Fig.3 Modified processing of large-area silver sintering

1.4 性能表征

試樣制備完成后，根據(jù)GJB4027A—2006標(biāo)準(zhǔn)，超聲掃描顯微鏡面掃描模式（C-scanning acoustic microscope，C-SAM）和X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（XCT）用于評(píng)估燒結(jié)銀層的的微觀結(jié)構(gòu)，觀察有無(wú)氣孔、裂紋等缺陷。本文所使用的X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描儀型號(hào)為YXLONY Cougar SMT，其分辨率可達(dá)1μm。超聲掃描顯微鏡型號(hào)為SONIX ECHO，其分辨率為0.5μm，重復(fù)精度為±0.5μm。為了檢驗(yàn)24 mm×24 mm的大面積燒結(jié)銀接頭的機(jī)械性能，用金相切割機(jī)將樣品按照4排4列的形式切成16個(gè)小塊，通過(guò)剪切測(cè)試儀以0.2 mm的恒定剪切速率進(jìn)行測(cè)試，獲得試樣的剪切強(qiáng)度大小和分布，從而評(píng)估粘接質(zhì)量。掃描電鏡（SEM）用于觀察剪切斷裂位置的形態(tài)，獲知失效形式。另外，為研究界面結(jié)合情況和孔隙率，使用SEM觀察橫截面微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 無(wú)損檢測(cè)

為了考察單次印刷工藝所制備大面積燒結(jié)接頭的連接質(zhì)量，采用C-SAM和X-CT進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，結(jié)果如圖4所示，采用改進(jìn)工藝制備的大面積連接試樣中的焊膏層表現(xiàn)出均勻的結(jié)構(gòu)，沒(méi)有明顯的孔洞或裂紋等缺陷。燒結(jié)銀層與基板的界面緊密結(jié)合，沒(méi)有發(fā)生分層。無(wú)損檢測(cè)的結(jié)果證明，根據(jù)焊膏的熱重分析曲線改進(jìn)的燒結(jié)工藝，保證了焊膏中有機(jī)物的充分干燥，避免了殘余有機(jī)物迅速沸騰導(dǎo)致的氣泡或氣體逸散形成的氣道，實(shí)現(xiàn)良好的燒結(jié)質(zhì)量。

圖4 大面積燒結(jié)銀基板連接接頭無(wú)損檢測(cè)圖像Fig.4 Non-destructive testing image of large-area sintered silver substrate joints

2.2 剪切強(qiáng)度分布測(cè)試

低溫?zé)Y(jié)銀大面積連接接頭的強(qiáng)度二維分布情況如表1所示。結(jié)果表明，采用改進(jìn)工藝獲得的低溫?zé)Y(jié)大面積連接平均強(qiáng)度可到達(dá)45.18 MPa以上。強(qiáng)度分布在34.42～51.84 MPa內(nèi)，總體均勻穩(wěn)定，和無(wú)損檢測(cè)的結(jié)果一致。試驗(yàn)證明改進(jìn)的大面積燒結(jié)銀工藝可以滿足航天功率模塊的機(jī)械性能要求。

綜合考慮無(wú)損檢測(cè)和剪切試驗(yàn)的結(jié)果，改進(jìn)工藝制備的大面積燒結(jié)接頭焊膏分布均勻，粘接強(qiáng)度高，沒(méi)有明顯的孔洞、裂紋等缺陷，可滿足航天功率模塊中基板粘接的要求。通過(guò)優(yōu)化的燒結(jié)工藝制備的試樣的斷裂模式和微觀結(jié)構(gòu)使用SEM表征。

表1 大面積燒結(jié)銀基板連接接頭剪切強(qiáng)度二維分布Tab.1 Two-dim ensional distribution of shear strength of large-area sintered silver substrate joints

2.3 連接試樣微觀分析

2.3.1 斷面微觀分析

連接試樣的剪切斷面微觀形貌如下圖5所示。通過(guò)對(duì)剪斷試樣的觀察發(fā)現(xiàn)，大面積燒結(jié)接頭的剪切失效發(fā)生在燒結(jié)銀層內(nèi)部。斷面上可以觀察到大量具有明顯塑性變形的晶粒，形成韌窩，表現(xiàn)出典型的韌性斷裂形貌。同時(shí)，試樣的剪切強(qiáng)度達(dá)到45.18 MPa，也證實(shí)了這一點(diǎn)。剪切斷面微觀結(jié)構(gòu)說(shuō)明焊膏與上下基板的界面上形成了可靠的連接。高倍率SEM圖像顯示銀顆粒之間的良好致密化，沒(méi)有孤立的銀微粒存在，晶粒之間也緊密結(jié)合?？梢宰C明銀漿中的分散劑被充分燒蝕，這意味著改進(jìn)工藝可以有效地提高連接質(zhì)量。

圖5 大面積燒結(jié)銀基板連接接頭剪切斷面SEM圖像Fig.5 SEM image of shear section of large-area sintered silver substrate joint

2.3.2 橫截面微觀分析

通過(guò)對(duì)改進(jìn)工藝制備的試樣截面進(jìn)行SEM顯微觀察，從下圖6中可以看出，焊膏層與上連接層DBC基板和下連接層銅底板之間，均通過(guò)銀粒子的充分?jǐn)U散，完成了界面的可靠連接。與無(wú)損檢測(cè)的結(jié)果一致，SEM圖片顯示界面上沒(méi)有發(fā)生分層現(xiàn)象。燒結(jié)后的銀焊膏層呈現(xiàn)典型多孔結(jié)構(gòu)，平均厚度為50μm，沒(méi)有氣泡或裂縫等缺陷，表現(xiàn)出均勻的致密化程度。

銀焊膏燒結(jié)后的多孔純銀結(jié)構(gòu)，除了具有較傳統(tǒng)連接材料更高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能以外，還具有較低的彈性模量，可以很好的削弱由于上下連接層熱膨脹系數(shù)不匹配造成的剪切應(yīng)力，獲得更好的長(zhǎng)期可靠性。

孔隙率對(duì)燒結(jié)銀性能的影響不可忽略。通常，孔隙率越低，粘合層的熱電性能越好。Image pro plus用于處理圖像并計(jì)算孔隙度。為了縮小誤差幅度，采用四個(gè)SEM圖像的平均值?？紫堵蕿?.82%，遠(yuǎn)低于雙層印刷工藝的孔隙率17.6%［11］。橫截面微觀形貌分析表明，通過(guò)優(yōu)化工藝實(shí)現(xiàn)了用于基板連接的高質(zhì)量大面積燒結(jié)銀接頭。

圖6 大面積燒結(jié)銀基板連接接頭橫截面SEM圖像Fig.6 SEM image of cross section of large area sintered silver substrate joint

3 結(jié)論

本文改進(jìn)的航空功率模塊中大面積（＞500 mm2）連接低溫?zé)Y(jié)銀焊膏工藝，主要結(jié)論如下：

（1）采用單層印刷，50℃，60min的預(yù)干燥步驟可以有效控制缺陷，獲得沒(méi)有明顯缺陷的大面積銀焊膏燒結(jié)連接接頭。

（2）快速升溫可優(yōu)化燒結(jié)質(zhì)量，所得接頭強(qiáng)度分布均勻，平均強(qiáng)度可達(dá)45.18 MPa，在剪切測(cè)試中表現(xiàn)出內(nèi)聚破壞模式和典型的韌性斷裂形態(tài)。

（3）采用改進(jìn)工藝制備的燒結(jié)銀連接層微觀結(jié)構(gòu)均勻致密，孔隙率為4.82%，沒(méi)有發(fā)生分層現(xiàn)象。