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李志強 胡玉華 張巖 翟世杰

（中國電子科技集團公司第五十五研究所）

摘要：

選取了一種半燒結(jié)型銀漿進行粘接工藝研究，通過剪切強度測試和空洞率檢測確定了合適的點膠工藝參數(shù)，并進行了紅外熱阻測試和可靠性測試。結(jié)果表明，該半燒結(jié)型銀漿的工藝操作性好，燒結(jié)后膠層空洞率低；當(dāng)膠層厚度控制在30 μm左右時，剪切強度達到25.73 MPa；采用半燒結(jié)型銀漿+TSV轉(zhuǎn)接板的方式燒結(jié)功放芯片，其導(dǎo)熱性能滿足芯片的散熱要求；經(jīng)過可靠性測試后，燒結(jié)芯片的剪切強度沒有下降，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，可用于晶圓級封裝中功率芯片的粘接。

0 引言

隨著射頻微系統(tǒng)技術(shù)在信息技術(shù)、生物醫(yī)療、工業(yè)控制等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，對更高集成度、更高性能、更高工作頻率、更低成本的多通道多功能器件的需求也更加迫切 [1-2] 。傳統(tǒng)器件由于其本身的物理極限難以實現(xiàn)進一步的突破，因此當(dāng)前在封裝層面提高器件的集成度就變得越來越重要。晶圓級封裝是一種先基于硅通孔（Through Silicon Via，TSV）技術(shù)制造硅基轉(zhuǎn)接板，再集成GaN、GaAs等化合物多功能芯片和Si CMOS 控制芯片，將化合物芯片、Si CMOS芯片與TSV轉(zhuǎn)接板進行三維堆疊的先進封裝技術(shù)，是促進射頻微系統(tǒng)器件低成本、小型化與智能化發(fā)展的重要途徑。

傳統(tǒng)Si芯片與GaAs芯片通過導(dǎo)電銀漿進行晶圓級封裝的技術(shù)已應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，相關(guān)全自動貼裝設(shè)備、固化設(shè)備以及工藝技術(shù)、可靠性等都已有相當(dāng)成熟的配套與研究。但隨著以SiC、GaN為代表的第三代半導(dǎo)體單片微波集成電路（MMIC）器件在高溫大功率場景中的快速應(yīng)用，苛刻的服役條件對功率芯片的互連提出了更高要求：一方面要求互連材料本身具有良好的導(dǎo)熱性能，另一方面要求在進行長時間高溫服役時具有高可靠性。普通導(dǎo)電銀漿的導(dǎo)熱性較差，在高溫下使用會因熱疲勞效應(yīng)導(dǎo)致連接強度下降 [3] ，可靠工作溫度低，已不能滿足功率芯片互連的應(yīng)用要求。因此，急需尋找既能低溫?zé)Y(jié)高溫服役，又能兼容現(xiàn)有貼裝、固化設(shè)備的新型連接材料。

近年來，納米Ag顆粒燒結(jié)銀漿在電子封裝中表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。此類銀漿大多為全燒結(jié)型，主要成分通常為納米級Ag顆粒、微米級Ag顆粒以及分散劑等有機溶劑，其黏度、觸變指數(shù)等性能與普通導(dǎo)電銀漿相差不大，完全可使用現(xiàn)有的晶圓級全自動貼裝設(shè)備和固化設(shè)備。燒結(jié)后有機溶劑分解揮發(fā)，連接層幾乎為純銀，具有很高的熱導(dǎo)率、良好的導(dǎo)電性、優(yōu)異的抗腐蝕性及抗蠕變性 [4-5] 。然而已有研究 [6-8] 發(fā)現(xiàn)，Ag納米顆粒容易發(fā)生電化學(xué)遷移，銀燒結(jié)層長時間高溫服役時組織容易發(fā)生孔隙聚集并失效；對于鍍金界面，即使連接層的初始性能優(yōu)良，但由于Ag-Au之間的強烈互擴散，在長時間高溫服役的過程中性能也會迅速下降。為提高長時間高溫服役的可靠性，國外已有機構(gòu)研制了半燒結(jié)型銀漿，增加了環(huán)氧樹脂含量，使其性能和燒結(jié)后狀態(tài)介于全燒結(jié)型銀漿與普通導(dǎo)電銀漿之間。文中選取了一種半燒結(jié)型銀漿進行粘接工藝研究，通過掌握該銀漿的工藝操作性，確定出合適的粘接工藝參數(shù)，并測試其導(dǎo)熱性能和可靠性，以期能夠用于晶圓級封裝中功率芯片的粘接。

1 試驗方法

經(jīng)廣泛調(diào)研，選取了德國Henkel公司生產(chǎn)的一款型號為ABP 8068TA的半燒結(jié)型銀漿，主要性能參數(shù)見表1?？梢钥闯?，半燒結(jié)型銀漿ABP 8068TA的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性遠高于導(dǎo)電銀漿H20E和MD140，但黏度介于兩者之間，觸變指數(shù)相差不大，因此可使用現(xiàn)有的晶圓級全自動貼裝設(shè)備。推薦的固化曲線如圖1所示，燒結(jié)溫度為200 ℃，可使用現(xiàn)有的固化設(shè)備。

制備試樣使用的硅芯片尺寸為2.3 mm×1.96 mm×0.25 mm，背面電鍍金，厚約8.5 μm；使用的硅基尺寸為14.5 mm×13.5 mm×0.725 mm，表面電鍍金，厚約3.5 μm。采用半自動點膠機進行點膠貼片，點膠參數(shù)見表2。通過控制單個膠點的點膠時間，制備不同膠層厚度的試樣，制備的試樣如圖2(a)所示。采用厭氧烘箱按圖1所示的固化曲線進行燒結(jié)；通過X-ray檢測燒結(jié)后的膠層狀態(tài)和空洞率；采用推拉力測試儀進行剪切強度測試。

采用半燒結(jié)型銀漿+TSV轉(zhuǎn)接板的方式燒結(jié)GaN功放芯片，粘接試樣如圖2(b)所示，測試其導(dǎo)熱性能是否滿足芯片的散熱要求，并與Au80Sn20共晶合金+無氧銅載體的燒結(jié)工藝進行對比。所選GaN功放芯片的型號為WFDN080120-P41-5，尺寸為2.5 mm×1.6 mm×0.08 mm，背金厚約6.0 μm，頻率8~12 GHz，熱耗14.5 W；TSV轉(zhuǎn)接板和無氧銅載體的尺寸為2.5 mm×3.0 mm×0.2 mm，TSV轉(zhuǎn)接板表面電鍍金，厚約3.5 μm。將試樣裝配到管殼里，再進行金絲互聯(lián)，完成整個測試樣件的制備。

通過可靠性測試驗證半燒結(jié)型銀漿在實際工作中的性能變化，可靠性測試的試驗方法和條件見表3。通過SEM觀察界面形貌，采用推拉力測試儀進行剪切強度測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 剪切強度及空洞率測試結(jié)果

根據(jù)GJB548C-2021中方法2019.3規(guī)定：按2倍力曲線判斷，若附著區(qū)面積大于4.13 mm 2 ，被試件承受的最小作用力應(yīng)為49 N；若附著區(qū)面積小于或等于4.13 mm 2 ，被試件承受的最小作用力應(yīng)為12.2 N/mm 2 。

圖3所示為不同點膠時間制備試樣的固化后狀態(tài)，滿足目檢要求，且銀漿沒有過分溢出。圖4所示為制備試樣的剪切力，并標(biāo)示了剪切力的極差范圍。可以看出，所有試樣的剪切力都能滿足GJB548C-2021中的規(guī)定。同時還可以看出，試樣的剪切力隨點膠時間的增加，變化并不明顯。點膠時間越長，膠量越多，膠層相應(yīng)越厚，因此可以推斷：在一定范圍內(nèi)，膠層厚度對剪切力影響不大，這將會大大提高工藝窗口寬度；當(dāng)點膠時間為35 ms時，剪切力最大，為115.97 N，即剪切強度為25.73 MPa，對應(yīng)的膠層厚度約為30 μm，如圖5(a)所示。由于劃片后膠層邊緣不易分辨，因此測量的是包含硅芯片與硅基板鍍金層的尺寸，鍍金層總厚度約為12 μm。半燒結(jié)型銀漿ABP 8068TA的黏度較小，觸變指數(shù)較大，硅芯片放置后在自身質(zhì)量的作用下，就已能夠?qū)y漿緩慢擠出，保證了膠層厚度的一致性以及溢膠的充足。從圖5(b)的X-ray檢測照片也可以進一步確認(rèn)，膠層內(nèi)部均勻一致，幾乎無空洞存在。

2.2 紅外熱阻測試結(jié)果

采用半自動點膠機進行功放芯片的粘接，點膠參數(shù)見表4。功放芯片粘接到TSV轉(zhuǎn)接板上的外觀狀態(tài)和X-ray檢測照片如圖6所示?？梢钥闯觯酒辰悠秸?，無明顯傾斜；芯片四周溢膠充足，且無銀漿上翻至芯片表面造成污染、短路；粘接輪廓面光滑無孔洞、無裂紋；膠層內(nèi)部均勻一致，幾乎無空洞存在；完全滿足射頻微系統(tǒng)對功率芯片裝配的要求。

圖7所示為采用兩種燒結(jié)方式的紅外熱阻測試結(jié)果?？梢钥闯?，采用半燒結(jié)型銀漿ABP 8068TA將功放芯片燒結(jié)到TSV轉(zhuǎn)接板上的方式時，熱阻值為5±1 ℃/W，滿足芯片的散熱要求。但相較于采用Au80Sn20共晶合金將功放芯片燒結(jié)到無氧銅載體上的方式，熱阻增大了約1 ℃/W，表明半燒結(jié)型銀漿ABP 8068TA+TSV轉(zhuǎn)接板方式的散熱能力略差于傳統(tǒng)的金錫共晶+無氧銅載體方式。這可能是因為半燒結(jié)型銀漿在燒結(jié)時，由于環(huán)氧樹脂的存在，無法像全燒結(jié)型銀漿那樣使連接層為純銀，因此在一定程度上降低了導(dǎo)熱性能。

2.3 界面組織及可靠性測試結(jié)果

燒結(jié)銀漿的低溫?zé)Y(jié)機理為：銀漿中含有的納米金屬顆粒通過其高表面能在低溫下經(jīng)過互相擴散、長大形成相對致密的連接層，同時納米金屬顆粒與兩側(cè)的鍍層金屬或者基體金屬也通過固態(tài)擴散形成界面冶金結(jié)合 [9] 。因此，燒結(jié)銀漿可以在較低的溫度下通過無壓燒結(jié)形成牢固連接。圖8所示為采用半燒結(jié)型銀漿ABP 8068TA燒結(jié)功放芯片的截面SEM圖。圖9所示為采用全燒結(jié)型銀漿燒結(jié)芯片的截面SEM圖。由圖8可以看出，銀漿在燒結(jié)過程中發(fā)生了致密化行為，形成了良好連續(xù)的致密體，厚度約30 μm，與劃片測量一致；不同于圖9中銀顆粒燒結(jié)后形成的多孔性結(jié)構(gòu)，半燒結(jié)型銀漿燒結(jié)后，銀顆粒并沒有完全連接到一起，而是形成更大尺寸的銀顆粒，通過交叉排布形成緊密連接；環(huán)氧樹脂填充到銀顆粒之間的縫隙中，使連接層整體的孔隙率降低；界面處的銀顆粒與鍍金層通過原子擴散形成了良好的冶金結(jié)合，結(jié)合緊密，沒有裂紋。因此，燒結(jié)后的連接層能夠為功率芯片的機械強度和導(dǎo)電導(dǎo)熱提供可靠保障。

功率芯片在工作時會較長時間處在較高溫度下，這就需要半燒結(jié)型銀漿在進行長時間高溫服役的過程中具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。圖10所示為采用半燒結(jié)型銀漿ABP 8068TA燒結(jié)功放芯片經(jīng)過可靠性測試后的剪切力。由圖10(a)可以看出，隨著存儲時間的增加，燒結(jié)芯片的剪切力整體呈緩慢上升趨勢，都高于存儲前的剪切力；這種變化趨勢可能是經(jīng)過一定時間的高溫存儲后，銀漿中殘存的有機物得以進一步分解揮發(fā)，銀顆粒繼續(xù)擴散、長大，使燒結(jié)孔隙進一步減少，致密度提高；同時銀漿中的銀原子持續(xù)擴散到芯片與基板鍍金層中形成冶金結(jié)合，從而使連接強度得以提高 [10-11] 。由圖10(b)可以看出，隨著溫循次數(shù)的增加，燒結(jié)芯片的剪切力變化不明顯，原因可能在于燒結(jié)后，連接層銀顆粒之間存在的微小孔隙被環(huán)氧樹脂填充，使連接層彈性模量降低，這有利于應(yīng)力的釋放，因此在較強的熱應(yīng)力作用下仍能保持較好的連接強度穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

1）半燒結(jié)型銀漿ABP 8068TA的工藝操作性好，工藝窗口寬；燒結(jié)芯片的剪切強度達到25.73 MPa，且膠層內(nèi)部均勻一致，空洞率低；可使用現(xiàn)有的晶圓級全自動貼裝設(shè)備和固化設(shè)備，滿足晶圓級全自動大批量裝配的應(yīng)用需求。

2）半燒結(jié)型銀漿+TSV轉(zhuǎn)接板方式的導(dǎo)熱性能滿足功率芯片的散熱要求；經(jīng)過可靠性測試后，燒結(jié)芯片的剪切強度沒有下降，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，可用于晶圓級封裝中功率芯片的粘接。

審核編輯 黃宇