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第3代半導(dǎo)體互連材料概述

2017-04-23 11:33趙朝輝朱捷張煥鹍王麗榮張江松盧彩濤張富文賀會軍
新材料產(chǎn)業(yè) 2017年8期
關(guān)鍵詞:無鉛元器件器件

趙朝輝 朱捷 張煥鹍 王麗榮 張江松 盧彩濤 張富文 賀會軍

以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的第3代半導(dǎo)體材料,是繼以硅(Si)基半導(dǎo)體為代表的第1代半導(dǎo)體材料和以砷化鎵(GaAs)和銻化銦(InSb)為代表的第2代半導(dǎo)體材料之后,在近些年發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體材料。與Si相比,GaN和SiC均具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和速率及更高的載流子遷移率等特點,更適合當(dāng)前對高功率、高溫、高能效以及輕便小型化的需求。第3代半導(dǎo)體憑借其優(yōu)異屬性,在國內(nèi)外得到了強(qiáng)烈關(guān)注,正在迅速崛起,應(yīng)用前景和市場潛力巨大。

互連材料是連接半導(dǎo)體晶體管和元器件的關(guān)鍵材料,起著導(dǎo)電和導(dǎo)熱的作用,影響著元器件電路導(dǎo)通、功能實現(xiàn)和穩(wěn)定性。由于第3代半導(dǎo)體器件工作環(huán)境較Si半導(dǎo)體更為惡劣,其器件封裝和互連也較傳統(tǒng)Si器件提出更高的要求。本文主要介紹可用于第3代半導(dǎo)體器件的互連材料。

一、第3代半導(dǎo)體材料

第3代半導(dǎo)體材料主要包括 SiC、GaN、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN),這些材料禁帶寬度均>2.2ev,被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料,亦被稱為高溫半導(dǎo)體材料。目前,從第3代半導(dǎo)體材料和器件的研究進(jìn)展來看,較為成熟的是SiC和GaN半導(dǎo)體材料,人們對ZnO、金剛石和AlN等寬禁帶半導(dǎo)體材料的研究較少,尚屬起步階段。

表1列出了半導(dǎo)體材料的關(guān)鍵性能對比??梢钥闯鯯iC熱傳導(dǎo)率是傳統(tǒng)的Si、GaAs半導(dǎo)體材料的3~13倍,使得SiC器件可以在高溫下長時間穩(wěn)定工作;SiC和GaN的臨界擊穿電場是傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的4~20倍,且具有更大的載流子飽和速率,在高功率電子器件方面有著巨大的性能優(yōu)勢。

二、第3代半導(dǎo)體連接材料的重要性和要求

第3代半導(dǎo)體材料憑借其寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高擊穿電場、高抗輻射能力等特點,在未來高頻、高溫、高功率、高能效、耐惡劣環(huán)境以及輕便小型化電子產(chǎn)品中有著巨大的應(yīng)用前景,給半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品帶來了又一次巨大革命。

由于第3代半導(dǎo)體器件工作環(huán)境較Si半導(dǎo)體更為惡劣,尤其對于在汽車、航天、鉆井、雷達(dá)等中的高溫、高功率應(yīng)用,其工作溫度大多在300℃以上,面對這樣高溫、高功率和可靠性的市場要求,對其器件互連材料也較傳統(tǒng)Si器件提出更高的要求。對于第3代半導(dǎo)體器件,為了能夠滿足高溫環(huán)境下高功率性能的穩(wěn)定實現(xiàn),互連材料應(yīng)具有以下特點:具有良好的導(dǎo)熱性;熱膨脹系數(shù)與芯片背面金屬層匹配;耐高溫,在空氣氛圍300℃保持穩(wěn)定。

三、連接材料

1.鍵合絲(鍵合引線)

鍵合絲是當(dāng)前半導(dǎo)體功率器件使用最多的內(nèi)封裝連接材料,鍵合絲應(yīng)具有以下特點:

①在大氣或含有10%左右氫氣的氮氣流中鍵合絲的尖端加熱熔融時,可形成無氧化膜的圓球,如圖1所示[1];

②采用超聲波熱壓焊時,在鍵合絲外部引線之間都能良好接合;

③進(jìn)行樹脂封裝時,相鄰鍵合絲之間不發(fā)生粘連;

④長期保存時,鍵合絲與半導(dǎo)體電極以及鍵合絲與外部引線之間的連接不會發(fā)生劣化。

目前半導(dǎo)體連接材料中應(yīng)用最廣泛的是金絲、銀絲、鋁絲和銅絲。表2列出了這幾種金屬的性能特點[2]。

金絲是引線鍵合使用最多的連接材料,具有電導(dǎo)率大、耐腐蝕、韌性好等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于用于晶體管集成電路大規(guī)模集成電路等各種半導(dǎo)體器件中作為內(nèi)引線用于各種電子元器件的連接材料[3]。

鍵合銀絲是近年來LED、IC行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)的替代傳統(tǒng)鍵合金絲的產(chǎn)品。鍵合銀絲的室溫機(jī)械性能與鍵合金絲相當(dāng),在使用溫度不是太高的領(lǐng)域(如LED封裝、IC封裝等)可以部分或全部取代鍵合金絲,降低生產(chǎn)成本。鍵合銀絲一般采取多元摻雜合金,加入微量元素,減少金屬化合物的形成,同時阻止了界面氧化物和裂紋的產(chǎn)生,降低了結(jié)合性能的退化,使結(jié)合性能和金絲一樣穩(wěn)定[3]。

鍵合鋁絲雖然成本較低,易于成絲,但是存在以下問題:Al的熔點低,易氧化;拉伸強(qiáng)度和耐熱性比金低、易出現(xiàn)塌絲現(xiàn)象;性能不穩(wěn)定,延伸率波動大[2]。另外鋁絲存在形球困難等問題,只能采用楔鍵合,主要應(yīng)用于功率器件、微波器件和光電器件[4]。

鍵合銅絲具有比金絲高的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能,可以用于制造對電流負(fù)載要求更高的功率器件,而且可以使高密度封裝時的散熱更為容易[5]。銅絲較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度可以使絲線直徑變得更細(xì),焊盤尺寸和焊盤艱巨也能相應(yīng)減小,價格比貴金屬鍵合絲材便宜很多,使得鍵合銅絲為目前替代傳統(tǒng)鍵合絲的最佳材料。但Cu易氧化,通常對其進(jìn)行表面處理,形成一層抗氧化性好的金屬,如Au、鈀(Pd)、鎳(Ni)、鉑(Pt)(等)[2],使其具有優(yōu)異的抗氧化性。

引線鍵合雖然是當(dāng)前半導(dǎo)體封裝的主要工藝,但對于較高密度的組裝,帶來引線纏繞、“塌線”、引線結(jié)合點熱循環(huán)疲勞可靠性降低問題一直是困擾引線鍵合工藝的難題。而對于第3代半導(dǎo)體元器件,更高密度的封裝、更高的運行頻率及熱循環(huán),未來將會是對該工藝的挑戰(zhàn)和待解決的問題。

2.釬料

釬料是微電子互連材料中最常用的互連材料,表3列出了一些被廣泛使用的電子芯片互連釬料及其物理性能。由于環(huán)保的要求,現(xiàn)在正在從含鉛釬料向無鉛釬料進(jìn)行轉(zhuǎn)變,錫(Sn)-Ag,Sn-Ag-Cu等合金無鉛釬料是封裝領(lǐng)域最常用的材料,但這些Sn基無鉛釬料大多熔點低于300℃,不能夠滿足第3代半導(dǎo)體元器件高溫環(huán)境下使用。Au-Sn具有較高的熔點,良好的蠕變特性和防腐蝕性能,然而高溫會加劇Au-Sn形成較脆的合金化合物,從而造成可靠性的降低,器件失效,并且其成本問題也是其廣泛使用的一個障礙。

當(dāng)前為了能夠滿足半導(dǎo)體元器件二次回流,半導(dǎo)體元器件封裝用連接材料通常

使用高熔點的高鉛釬料,如Pb92.5Sn5Ag2.5、Pb88Sn10Ag2。該類釬料除了熔點較高之外,材質(zhì)比較柔軟,可以釋放芯片由于熱脹冷縮造成的應(yīng)力,而不至于將芯片拉碎,因此為芯片封裝領(lǐng)域較理想的連接材料。雖然無鉛進(jìn)程已經(jīng)導(dǎo)入十余年了,但由于沒有理想的高溫?zé)o鉛釬料,高鉛高溫釬料依然是豁免產(chǎn)品,對無鉛高溫釬料的開發(fā)依然是當(dāng)前業(yè)內(nèi)的一個難點。目前市場上僅有少數(shù)龍頭單位有關(guān)于高溫?zé)o鉛釬料的應(yīng)用報道,但仍然未能形成統(tǒng)一的認(rèn)識。如美國銦泰有關(guān)于BiAgX系釬料和以預(yù)成型焊片的形態(tài),在一些特殊場合使用的宣傳報道;北京康普錫威科技有限公司有關(guān)于Sn-Sb-X[6]和復(fù)合焊料[7-8]等系列無鉛高溫釬料的報道。但真正在半導(dǎo)體元器件封裝互連中大規(guī)模使用還需要一定的路要走,開發(fā)熔點較高(>260℃或>280℃)、材質(zhì)柔軟(減少由于熱脹冷縮對芯片的應(yīng)力)的無鉛高溫釬料,依然是當(dāng)前業(yè)內(nèi)努力的方向。

3.納米膏

燒結(jié)技術(shù)通過高溫使材料表面原子互相擴(kuò)散,從而形成致密晶體的過程,是20世紀(jì)90年代初Schwarzbauer等人[9]基于燒結(jié)理論發(fā)明的一種連接方法,被稱之為低溫?zé)Y(jié)技術(shù)(LTJT)。通常通過減小燒結(jié)顆粒的尺寸,可降低燒結(jié)溫度。

納米銀粉由于其獨特的納米特性,為半導(dǎo)體芯片的封裝提供了另一個嶄新的思路。銀的熔點是961℃,而當(dāng)顆粒尺寸到納米級別,其熔點會顯著降低,至100℃左右,因此可通過低溫?zé)Y(jié)實現(xiàn)電子產(chǎn)品或芯片的互聯(lián),而燒結(jié)后的燒結(jié)層熔點又恢復(fù)到銀的常規(guī)熔點,可滿足電子產(chǎn)品在高溫下正常使用,并且銀具有優(yōu)異的導(dǎo)熱導(dǎo)電性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性,是第3代半導(dǎo)體封裝最具應(yīng)用前景的互連材料。

近些年,國內(nèi)外研究人員展開了對銀納米膏的制備、燒結(jié)工藝及導(dǎo)電導(dǎo)熱性能進(jìn)行了大量分析評估。Moon[10]等的研究發(fā)現(xiàn),20nm銀粒子在150℃即可表現(xiàn)出明顯的燒結(jié)行為,300℃下燒結(jié)可得到多孔優(yōu)質(zhì)銀膜。Akada[11]等對燒結(jié)溫度和燒結(jié)氣氛對燒結(jié)接頭強(qiáng)度的影響做了研究。在國內(nèi),天津大學(xué)最早開展了銀納米膏低溫?zé)Y(jié)技術(shù)的研究。并發(fā)明了一種新型低溫?zé)Y(jié)納米銀

技術(shù)[12,13],實現(xiàn)了多種具有雙面散熱能力的無引線封裝工[14]。清華大學(xué)閆劍鋒等人[15]對銀納米膏的燒結(jié)性能進(jìn)行了研究,表明200℃條件下燒結(jié)300℃,銀燒結(jié)層為聯(lián)通多孔結(jié)構(gòu),高于250℃時銀顆粒出現(xiàn)明顯的長大現(xiàn)象,如圖2[15]所示。天津大學(xué)楊呈祥[16]等人開展了銀納米膏在大功率模塊的性能研究,與SnAg3.0Cu0.5和導(dǎo)電膠2種連接材料進(jìn)行對比,結(jié)果表明銀納米膏封裝的大功率LED模塊光電性能優(yōu)異,且具有較強(qiáng)的長期可靠性。

銅納米膏由于其優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能和較低的成本也受到了廣泛關(guān)注,然而由于銅容易在空氣中被氧化,若想將納米銅顆粒用于半導(dǎo)體功率器件互連中,面臨一系列技術(shù)上的挑戰(zhàn)。僅有美國Lockheed Martin公司[17],英國Intrinsiq公司開發(fā)出了具有有機(jī)物包覆層的納米銅導(dǎo)電膏體。新加坡南陽理工大學(xué)C.S.Tan課題組[18,19]使用美國Lockheed Martin公司的納米銅膏進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)的研究,通過表面去氧化處理,摻雜微米銅顆粒等方法提高燒結(jié)結(jié)果。清華大學(xué)張穎川等人[20]研究了銀銅混合納米膏的燒結(jié)特性,結(jié)果表明,制得的納米銀+納米銅混合焊膏具有良好的防氧化特性。

納米膏由于可以實現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)高溫使用,為第3代半導(dǎo)體連接材料提供了一個嶄新的思路,但在產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模使用上還有很長的路要走,比如燒結(jié)焊層的孔隙率、與基材之間的結(jié)合強(qiáng)度、載體殘留等問題還需亟待解決。

四、展望

第3代半導(dǎo)體材料由于具有非常顯著的性能優(yōu)勢和巨大的產(chǎn)業(yè)帶動作用,受到了世界各國的高度重視,歐美日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都把發(fā)展第3代半導(dǎo)體技術(shù)列入國家戰(zhàn)略。我國也將第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)納入戰(zhàn)略發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè),2013年科技部在“國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)新材料技術(shù)領(lǐng)域項目征集指南中,也特別指出了要將第3代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用列入重要研究內(nèi)容。2015年,建立了第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟(CASA)的成立,為我國第3代半導(dǎo)體的發(fā)展建立了研發(fā)和交流平臺,對推動我國第3代半導(dǎo)體材料及器件研發(fā)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

互連材料是連接半導(dǎo)體晶體管和元器件的關(guān)鍵材料,起著導(dǎo)電和導(dǎo)熱的作用,影響著元器件電路導(dǎo)通、功能實現(xiàn)和穩(wěn)定性。第3代半導(dǎo)體器件高溫、高功率和可靠性的特點和市場要求,對其器件互連材料也提出了更高的要求。

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