低溫燒結銀與金基界面互連研究進展

汪智威，林麗婷，李欣

(天津大學,天津,300072)

0 序言

近年來，相比于硅基(Si)器件，第三代半導體如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等器件，由于具有更大的禁帶寬度和擊穿場強，更高的導熱性、耐熱性，越來越廣泛地應用在電動汽車和航空航天等領域[1].為滿足第三代半導體器件的高溫、高功率密度的可靠應用，相應封裝互連材料必須具有熱、電和力學性能的良好匹配.新型連接材料—燒結銀焊膏，利用微/納米銀顆粒在加熱或加壓條件下，可以相互擴散，并形成致密多孔燒結銀結構的特點，滿足了低溫燒結(≤250 ℃)和高溫應用(≥500 ℃)的應用需求，同時燒結后具有良好的力學強度、熱、電和可靠性，在許多應用場景中已經代替無鉛焊料，成為首選的互連材料[2-4].

在半導體器件封裝中，通過互連材料實現芯片與基板之間的機械和電氣連接，互連接頭質量密切影響著器件的壽命.影響互連質量的因素除了材料本身外，還有界面連接質量這一關鍵因素，而界面處多為異種金屬之間的連接，往往易出現分層、裂紋等缺陷.正如燒結銀焊膏的主要成分為銀，而基板表面通常為銅鋁材料，同時為避免其氧化，提高可焊性，工業(yè)上又常對其進行鍍銀、鍍鎳或鍍金(鍍金之前普遍需要先預鍍鎳層)的表面處理[5]，因此燒結銀與不同金屬界面之間的互連已成為研究熱點，其中銀-金界面互連近些年受到了更多的關注，這是由于金基界面具備高導電性和低接觸電阻等特性，鍍金基板已逐漸被應用，以提升半導體器件的性能.

已有學者進行對比試驗發(fā)現，燒結銀與金基界面的互連性能遠不如燒結銀與銀基界面[6]，目前燒結銀-金互連可靠性仍存在諸多質疑與問題，受到業(yè)內學者廣泛關注.文中由介紹燒結銀與不同表面互連機制入手，闡明燒結銀-金互連的問題與挑戰(zhàn)，從接頭互連工藝、接頭服役可靠性等方面對燒結銀-金接頭的研究現狀總結歸納，旨在更好解決燒結銀-金基界面互連問題.

1 燒結銀與金屬化界面互連機制

有學者曾對兩種材料間的連接機制進行總結，一般可以分為物理、機械、靜電、擴散以及化學鍵連接等[7-8].表面金屬化結構的不同、燒結工藝的差異都會造成燒結銀與界面連接機制的不同.

1.1 燒結銀與裸銅界面互連

燒結銀中的有機物體系需要燒結氣氛中一定的氧分壓才能熱分解，但銅在該環(huán)境下即生成氧化膜.不少學者認為燒結銀與銅表面依靠Ag-Cu 金屬鍵形成互連，而銅基板表面氧化膜阻礙鍵合.Ide 等人[9]采用納米銀-有機殼覆蓋的銀焊膏，在輔助燒結壓力5 MPa 的條件下，還原銅表面氧化物，制備得到互連性能良好的銀-銅接頭.有試驗對比空氣和低真空環(huán)境燒結得到的銀-銅接頭的服役可靠性，空氣燒結接頭由于存在氧化物層，加劇接頭內因熱膨脹系數不同而產生的熱應力，導致其可靠性遠低于低真空環(huán)境燒結接頭[10].但Du 等人[11]通過透射電子顯微鏡(transmission electron microscope，TEM)觀察發(fā)現(圖1)，空氣氣氛燒結得到的銀-銅接頭形成了Ag-Cu2O 化學鍵和Ag-Cu 金屬鍵，由于晶格常數差異，學者認為前者對接頭互連貢獻更大.

圖1 燒結銀與銅及其氧化物層的界面晶格[11]Fig.1 Lattice images of the interface between sintered Ag and oxide layer.(a) Ag/Cu2O interface;(b)Ag/Cu interface

1.2 燒結銀與銀基界面互連

燒結銀可以實現與銀基表面的良好互連，因為二者晶格常數相同，Ag 原子可在銀基表面外延生長，無壓燒結下，接頭抗剪強度可達到70 MPa，斷裂形式通常為穿晶斷裂[12-13].有學者觀察燒結銀-銀基界面接頭斷面，斷裂位置出現在燒結銀靠近上焊盤或下焊盤界面的燒結銀內部，表明燒結銀與銀基界面的連接強度與燒結銀的內聚強度相當[14].此外，燒結銀與銀基界面互連的接頭具有更高可靠性：有學者將燒結銀-銀接頭置于200～ 300 ℃的環(huán)境下進行50 h 的高溫老化，發(fā)現銀-銀接頭連接層進一步致密化，抗剪強度不降反升[15].將燒結銀-銀基界面接頭放置在300 ℃環(huán)境中，1 000 h 后仍保持高于30 MPa 的抗剪強度[16]，將這一現象歸因于相較于其它類型接頭，燒結銀與銀基界面互連具有最高界面連接比和最小接觸角，能有效增加裂紋擴展面積，減小界面的應力集中，如圖2 所示[17].

圖2 燒結銀與不同界面互連接頭[17]Fig.2 Sintered Ag joints on different metallization.(a)Ni/Au plated substrate；(b) Ag plated substrate

1.3 燒結銀與金基界面互接

早在2008 年，有學者在塊狀金表面進行燒結銀互連，由于銀與金晶格常數接近(銀為0.408 6 nm，金為0.407 9 nm)，銀-金界面處的微觀組織形貌如圖3 所示，銀納米顆粒沿金層晶粒取向形成外延層，實現連接[18].2014 年，Paknejad 等人[19]在300 ℃高溫老化24 h 的燒結銀-金接頭中，同樣觀察到這一現象(圖3a).另外，進行TEM 表征，發(fā)現在接頭界面位置，Ag 和Au 原子沿晶界發(fā)生了劇烈互擴散現象(圖3b)，可知燒結銀-金互連主要依靠銀-金間互擴散實現.

圖3 銀-金界面處的微觀組織形貌[19]Fig.3 Interfacial microstructure at Ag-Au metallization.(a) orientation relationship between Ag layer and Au layer;(b) TEM image of Ag-Au interdiffusion

有部分學者關注銀-金接頭中互擴散現象的影響因素.Xu 等人[20]對比化學鍍和電鍍得到金基表面，化學鍍的表層金晶粒小于100 nm，遠小于電鍍表面金晶粒尺寸，燒結后，前者互連界面處產生連續(xù)分層(delamination region)，燒結銀-金接頭如圖4所示，這是因為小的金晶粒具有更多晶界，為Ag 原子提供更多擴散至金鍍層的通道，Ag 原子大量溶于金層最終導致分層.Lin 等人[21]利用分子動力學模擬設計對比金層晶粒取向對銀金擴散的影響，相同時間下，Ag 原子在金的高角度模型中的平均擴散距離是Ag 原子在低角度模型中的4 倍，在燒結互連時，金層表面的高角度晶界可作為Ag 原子的高速擴散通道，促進Ag 原子遷移.

圖4 燒結銀-金接頭[20]Fig.4 Sintered Ag-Au joints.(a) interfacial microstructure;(b) the distribution of element

2 燒結銀與金基界面互連問題與挑戰(zhàn)

2.1 不平衡互擴散

以燒結溫度為300 ℃為例，銀在金中的擴散系數為3.42 × 10-17cm2/s，遠大于銀在銀中和金在銀中的擴散系數(二者分別為5.99 × 10-18和4.67 ×10-19cm2/s)，保溫10 min，Ag 原子在銀基體的擴散長度為0.60 nm，而在金基體的擴散長度可達到1.43 nm.燒結過程中，靠近銀-金界面處的Ag 原子快速遷移進入金層，而距離界面較遠的Ag 原子來不及補充空位，導致互連界面處產生致密層(void-free layer)，即銀-金固溶層，在致密層上方形成高孔隙層(high-porosity layer)，一旦孔隙之間連續(xù)形成分層(delamination)嚴重惡化接頭性能.該現象同樣出現在燒結銀-金接頭老化過程中，Paknejad等人[19]在300 ℃高溫老化500 h 后，燒結銀-金接頭中伴隨鍍金層逐漸溶解燒結銀中，界面位置無孔隙層增厚，其上方形成分層，如圖5 所示，接頭的抗剪強度由初始狀態(tài)下的22.5 MPa 下降至7.5 MPa.

圖5 高溫老化接頭形貌變化[19]Fig.5 Microstructure evolution of sintered Ag-Au joints during high-thermal aging.(a) initial stage;(b)after 24 h;(c) after 100 h;(d) after 500 h

Chen 等人[22]將燒結銀-金接頭置于250 ℃環(huán)境中進行老化，銀-金接頭間存在劇烈互擴散，高溫作用下，原子運動加劇，老化1 000 h 后，出現“吃金”現象，即Au 原子已全部溶入燒結銀，接頭形貌變化和界面反應如圖6 所示，與此同時，由于無金層阻擋作用下，鍍鎳層和銅層也發(fā)生一定程度的擴散.

圖6 高溫老化下接頭形貌變化和界面反應[22]Fig.6 Microstructure evolution and interfacial reaction of sintered Ag-Au joints during high thermal aging.(a) 0 h;(b)500 h;(c) 1 000 h

2.2 鎳層氧化

在金基表面化處理過程中，為提高金層與銅基體結合力，并抑制二者互擴散，在鍍覆金之前，一般鍍3～ 7 μm 的鎳層[23].鍍金液對鎳層具有腐蝕性，如果工藝不當，往往會在表面造成黑板和針孔等缺陷[24].除銀-金過渡互擴散外，由于互連后的金層為疏松多孔結構，鍍鎳層直接與連接層接觸，鎳層對接頭互連存在一定影響.有學者對比基板鍍鎳層有無針孔(pinhole)缺陷的燒結銀接頭的互連性能，二者初始狀態(tài)下強度相同，但經過500 h 的250 ℃高溫老化試驗，無針孔缺陷的基板燒結銀接頭抗剪強度下降17%，有缺陷基板對應接頭強度下降26%，燒結銀-金接頭斷面電子顯微探針結果，如圖7 所示，認為鍍鎳層的針孔缺陷為氧氣提供快速擴散通道，導致鍍鎳層氧化，鎳氧化物成為斷裂敏感區(qū)，剪切試驗中，接頭發(fā)生脆性斷裂[25].同樣有學者通過XPS 手段觀察到，由于化學浸金過程中金層產生孔隙，燒結過程中Cu 和Ni 原子在金表面聚集形成氧化物，惡化接頭性能[26].

圖7 燒結銀-金接頭斷面Fig.7 Fracture surface of sintered Ag-Au joint.(a) EDS image of the fracture surface;(b) SEM image of the fracture surface

與此同時，鎳層氧化問題嚴重限制燒結銀-金接頭的高溫服役性能，在350 ℃的高溫老化試驗中，Zhang 等人[27]觀察到銀-金接頭由鎳氧化導致的失效模式，如圖8 所示.外界氣氛中的氧和有機溶劑分解形成的氧在高溫作用下，沿多孔燒結銀晶界和缺陷位置迅速擴散，造成鎳層氧化，與互連層分離，最終導致剪切過程中接頭的脆性斷裂.有學者觀察250 ℃高溫老化過程中不同階段的接頭剪切斷面，發(fā)現隨著老化時間增加，接頭斷面出現鎳氧化物增多，鎳氧化物抑制燒結銀粗化，未粗化燒結銀成為脆弱區(qū)域，降低接頭可靠性[28].

圖8 高溫老化下由鎳氧化導致的接頭失效模式[27]Fig.8 Failure mode of Ag-Au joint with Ni oxidation.(a) dense sintered silver joint; (b) pore coarsening and oxygen ingres;(c) oxidation of nickel layer

3 燒結銀-金接頭互連改進研究進展

3.1 快速燒結工藝

通過比較不同溫度銀-金間互擴散系數，學者認為，燒結開始時擴散沒有發(fā)生，溫度升高后，Ag 原子向金層中擴散，隨著溫度逐漸升高，Ag 原子在金中的擴散速度越來越快，并且大于Ag 原子在銀中的擴散速度，空洞出現，最終高溫長時間燒結使得空洞連接形成分層.基于該認識，王曉敏[29]針對平均金晶粒尺寸小的化學鍍鎳/金基板提出一種改進燒結工藝，引入30 min，150 ℃的預干燥階段，保證有機物充分揮發(fā)的同時，減少燒結過程中在高溫段的停留時間，降低Ag 原子的非致密擴散，擴散示意圖如圖9 所示，以避免發(fā)生界面分層的問題.通過比較不同溫度下銀-金互擴散系數大小，Wang等人[30]提出使用快速升溫的方法避開常規(guī)燒結過程中的低溫區(qū)段，以避免接頭發(fā)生非致密化擴散，工藝改進后，接頭強度提高至18.5 MPa.后續(xù)大量學者以這一改進后的燒結工藝為基礎，進行試驗研究.Zhang 等人[31]通過“階梯式“燒結曲線：150 ℃，保溫5 min→250 ℃，保溫5 min→最后300 ℃，保溫15 min 燒結，制備得到互連強度為30 MPa 的燒結接頭.

3.2 增大金晶粒尺寸抑制擴散

基于前人對銀-金擴散主要是以晶界為擴散通道這一認知，平均晶粒尺寸小的金層可以提供更多的晶界，促進銀原子向金層擴散[31]，金晶粒尺寸對接頭互連影響如圖10 所示，進而形成厚銀-金固溶層和薄弱燒結頸.有學者由增大表層金晶粒尺寸，抑制銀-金間不平衡互擴散入手，通過熱處理提高金基表面的平均晶粒尺寸；將鍍金基板置于250 ℃環(huán)境下1 h，晶界遷移速率加快，晶粒迅速長大，表層金平均晶粒尺寸由317 ?長大至516 ?，而接頭抗剪強度提高84.05%[32].但也有研究發(fā)現，對鍍鎳/金結構基板進行1 h，250 ℃熱處理后，表面金層出現鎳氧化物，反而降低焊料與基板潤濕性，難以形成可靠接頭[33].有學者比較金層厚度為0.15，0.3 和0.8 μm 的基板與燒結銀互連接頭的連接性能，隨鍍層厚度增加，金晶粒顯著增大，相應地，接頭抗剪強度由14.7 MPa 提高至30.9 MPa[34]，但這一舉措極大提高了加工成本，同樣不是理想的工藝途徑.

3.3 使用鎳/鈀/金的金基界面結構

相較于最常見的鎳/金結構，鎳/鈀/金結構的金基界面具有更高的化學穩(wěn)定性和抗氧化性，此外引入鍍鈀層還可以減少70%的金消耗量，降低實際生產成本.近年來，已有部分學者將鎳/鈀/金結構應用在燒結型互連中[35]，其主要優(yōu)勢：一方面，鈀層提高金基表面質量，提高接頭高溫環(huán)境下抗氧化能力[36-37].有試驗將鎳/銀基板、鎳/金基板和鎳/鈀/金基板置于350 ℃老化1 h，鎳/鈀/金基板表面氧含量與鎳/銀基板的接近，遠小于鎳/金基板[38]；另一方面，依附于鎳層鍍覆的金晶粒遠小于依附于鈀層制備金基界面，而大晶粒尺寸有利于抑制銀-金不平衡互擴散.有學者比較在鎳/金結構和鎳/鈀/金結構金基表面的燒結銀接頭的互連性能，鎳/金表面金晶粒尺寸為0.09 μm，而鎳/鈀/金表面金晶粒尺寸為0.12 μm，相同燒結工藝下，前者接頭的抗剪強度低于后者[39].

前文銀-金接頭的高溫服役可靠性，主要是以鎳/金結構的金基界面為研究對象，而有學者對鎳/鈀/金結構燒結銀接頭進行250 ℃的高溫老化試驗，銀-金固溶層隨時間增加而增厚，但1 000 h 后接頭仍未出現明顯分層和鎳氧化現象，其強度仍保持在36.5 MPa[40].大阪大學對燒結銀與鎳/鈀/金界面互連接頭進行-55～ 250 ℃的極端條件溫度循環(huán)試驗，由于材料內部熱膨脹系數差異大，熱應力作為Ag 原子遷移的主要驅動力，導致不同區(qū)域的銀-金固溶帶影響形貌差異大，溫度循環(huán)下接頭界面形貌變化如圖11 所示.接頭失效主要是因為芯片-互連層-基板3 種材料的熱膨脹系數不匹配，導致接頭開裂，與銀-金界面反應無關[41]，鎳/鈀/金界面與燒結銀互連表現出優(yōu)越服役可靠性.

4 結束語

(1) 對比分析了燒結銀與裸銅界面、銀基界面和金基界面的互連機制和互連性能，并指出銀-金互連的問題主要在于銀-金不平衡互擴散和擴散阻擋層—鎳氧化兩方面.目前，對后者的機制認知還不完整，需進一步明晰鎳氧化影響銀-金互連的本質.

(2) 系統(tǒng)全面地概括了現有改善燒結銀-金互連質量的3 種方法：快速燒結工藝和通過預熱增大金晶粒尺寸的方法，雖然能有效提高接頭互連質量，但仍然各有弊端；以鎳/鈀/金結構替換常見的鎳/金結構的方法可以顯著提高銀-金互連質量和可靠性，因此被認為是具有潛力的新方案.