半燒結(jié)型銀漿粘接工藝在晶圓封裝的應(yīng)用

摘要：選取了一種半燒結(jié)型銀漿進(jìn)行粘接工藝研究，通過剪切強(qiáng)度測(cè)試和空洞率檢測(cè)確定了合適的點(diǎn)膠工藝參數(shù)，并進(jìn)行了紅外熱阻測(cè)試和可靠性測(cè)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30μm左右時(shí)，剪切強(qiáng)度達(dá)到25.73MPa；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(cè)試后，燒結(jié)芯片的剪切強(qiáng)度沒有下降，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，可用于晶圓級(jí)封裝中功率芯片的粘接。

關(guān)鍵詞：晶圓級(jí)封裝；半燒結(jié)型銀漿；剪切強(qiáng)度；導(dǎo)熱性能；可靠性度；導(dǎo)熱性能；可靠性

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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(duì)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。傳統(tǒng)器件由于其本身的物理極限難以實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(jí)封裝是一種先基于硅通孔（ThroughSiliconVia，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SiCMOS控制芯片，將化合物芯片、SiCMOS芯片與TSV轉(zhuǎn)接板進(jìn)行三維堆疊的先進(jìn)封裝技術(shù)，是促進(jìn)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(jìn)行晶圓級(jí)封裝的技術(shù)已應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，相關(guān)全自動(dòng)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(chǎng)景中的快速應(yīng)用，苛刻的服役條件對(duì)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(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間高溫服役時(shí)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(huì)因熱疲勞效應(yīng)導(dǎo)致連接強(qiáng)度下降，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(jí)Ag顆粒、微米級(jí)Ag顆粒以及分散劑等有機(jī)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(jí)全自動(dòng)貼裝設(shè)備和固化設(shè)備。燒結(jié)后有機(jī)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。然而已有研究發(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(zhǎng)時(shí)間高溫服役時(shí)組織容易發(fā)生孔隙聚集并失效；對(duì)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(qiáng)烈互擴(kuò)散，在長(zhǎng)時(shí)間高溫服役的過程中性能也會(huì)迅速下降。為提高長(zhǎng)時(shí)間高溫服役的可靠性，國(guó)外已有機(jī)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(jìn)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(cè)試其導(dǎo)熱性能和可靠性，以期能夠用于晶圓級(jí)封裝中功率芯片的粘接。

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試驗(yàn)方法

經(jīng)廣泛調(diào)研，選取了德國(guó)Henkel公司生產(chǎn)的一款型號(hào)為ABP8068TA的半燒結(jié)型銀漿，主要性能參數(shù)見表1。可以看出，半燒結(jié)型銀漿ABP8068TA的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性遠(yuǎn)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(jí)全自動(dòng)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2.3mm×1.96mm×0.25mm，背面電鍍金，厚約8.5μm；使用的硅基板尺寸為14.5mm×13.5mm×0.725mm，表面電鍍金，厚約3.5μm。采用半自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)進(jìn)行點(diǎn)膠貼片，點(diǎn)膠參數(shù)見表2。通過控制單個(gè)膠點(diǎn)的點(diǎn)膠時(shí)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(jìn)行燒結(jié)；通過X-ray檢測(cè)燒結(jié)后的膠層狀態(tài)和空洞率；采用推拉力測(cè)試儀進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)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(cè)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(jìn)行對(duì)比。所選GaN功放芯片的型號(hào)為WFDN080120-P41-5，尺寸為2.5mm×1.6mm×0.08mm，背金厚約6.0μm，頻率8~12GHz，熱耗14.5W；TSV轉(zhuǎn)接板和無氧銅載體的尺寸為2.5mm×3.0mm×0.2mm，TSV轉(zhuǎn)接板表面電鍍金，厚約3.5μm。將試樣裝配到管殼里，再進(jìn)行金絲互聯(lián)，完成整個(gè)測(cè)試樣件的制備。

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

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試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 剪切強(qiáng)度及空洞率測(cè)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4.13mm2，被試件承受的最小作用力應(yīng)為49N；若附著區(qū)面積小于或等于4.13mm2，被試件承受的最小作用力應(yīng)為12.2N/mm2。

圖3所示為不同點(diǎn)膠時(shí)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?？梢钥闯?，所有試樣的剪切力都能滿足GJB548C-2021中的規(guī)定。同時(shí)還可以看出，試樣的剪切力隨點(diǎn)膠時(shí)間的增加，變化并不明顯。點(diǎn)膠時(shí)間越長(zhǎng)，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(duì)剪切力影響不大，這將會(huì)大大提高工藝窗口寬度；當(dāng)點(diǎn)膠時(shí)間為35ms時(shí)，剪切力最大，為115.97N，即剪切強(qiáng)度為25.73MPa，對(duì)應(yīng)的膠層厚度約為30μm，如圖5(a)所示。由于劃片后膠層邊緣不易分辨，因此測(cè)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12μm。半燒結(jié)型銀漿ABP8068TA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(cè)照片也可以進(jìn)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(cè)試結(jié)果

采用半自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)進(jìn)行功放芯片的粘接，點(diǎn)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(cè)照片如圖6所示?？梢钥闯?，芯片粘接平整，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(duì)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(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，采用半燒結(jié)型銀漿ABP8068TA將功放芯片燒結(jié)到TSV轉(zhuǎn)接板上的方式時(shí)，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ABP8068TA+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?yàn)榘霟Y(jié)型銀漿在燒結(jié)時(shí)，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(cè)試結(jié)果

燒結(jié)銀漿的低溫?zé)Y(jié)機(jī)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(kuò)散、長(zhǎng)大形成相對(duì)致密的連接層，同時(shí)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(kuò)散形成界面冶金結(jié)合。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ABP8068TA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30μm，與劃片測(cè)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(kuò)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?yàn)楣β市酒?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/1472/" target="_blank">機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電導(dǎo)熱提供可靠保障。

功率芯片在工作時(shí)會(huì)較長(zhǎng)時(shí)間處在較高溫度下，這就需要半燒結(jié)型銀漿在進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)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ABP8068TA燒結(jié)功放芯片經(jīng)過可靠性測(cè)試后的剪切力。由圖10(a)可以看出，隨著存儲(chǔ)時(shí)間的增加，燒結(jié)芯片的剪切力整體呈緩慢上升趨勢(shì)，都高于存儲(chǔ)前的剪切力；這種變化趨勢(shì)可能是經(jīng)過一定時(shí)間的高溫存儲(chǔ)后，銀漿中殘存的有機(jī)物得以進(jìn)一步分解揮發(fā)，銀顆粒繼續(xù)擴(kuò)散、長(zhǎng)大，使燒結(jié)孔隙進(jìn)一步減少，致密度提高；同時(shí)銀漿中的銀原子持續(xù)擴(kuò)散到芯片與基板鍍金層中形成冶金結(jié)合，從而使連接強(qiáng)度得以提高。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(qiáng)的熱應(yīng)力作用下仍能保持較好的連接強(qiáng)度穩(wěn)定性。

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結(jié)論

1）半燒結(jié)型銀漿ABP8068TA的工藝操作性好，工藝窗口寬；燒結(jié)芯片的剪切強(qiáng)度達(dá)到25.73MPa，且膠層內(nèi)部均勻一致，空洞率低；可使用現(xiàn)有的晶圓級(jí)全自動(dòng)貼裝設(shè)備和固化設(shè)備，滿足晶圓級(jí)全自動(dòng)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(cè)試后，燒結(jié)芯片的剪切強(qiáng)度沒有下降，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，可用于晶圓級(jí)封裝中功率芯片的粘接。

來源：電子工藝技術(shù)

作者：李志強(qiáng)，胡玉華，張 巖，翟世杰

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所