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第三代半导体互连材料概述

文章出处:未知 人气:发表时间:2020-09-21 14:38

 以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第3代半导体材料,是继以硅(Si)基半导体为代表的第1代半导体材料和以砷化镓(GaAs)和锑化铟(InSb)为代表的第2代半导体材料之后,在近些年发展起来的新型半导体材料。与Si相比,GaN和SiC均具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的载流子迁移率等特点,更适合当前对高功率、高温、高能效以及轻便小型化的需求。第3代半导体凭借其优异属性,在国内外得到了强烈关注,正在迅速崛起,应用前景和市场潜力巨大。

  互连材料是连接半导体晶体管和元器件的关键材料,起着导电和导热的作用,影响着元器件电路导通、功能实现和稳定性。由于第3代半导体器件工作环境较Si半导体更为恶劣,其器件封装和互连也较传统Si器件提出更高的要求。本文主要介绍可用于第3代半导体器件的互连材料。

  一、第3代半导体材料

  第3代半导体材料主要包括SiC、GaN、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN),这些材料禁带宽度均>2.2ev,被称为宽禁带半导体材料,亦被称为高温半导体材料。目前,从第3代半导体材料和器件的研究进展来看,较为成熟的是SiC和GaN半导体材料,人们对ZnO、金刚石和AlN等宽禁带半导体材料的研究较少,尚属起步阶段。

  表1列出了半导体材料的关键性能对比。可以看出SiC热传导率是传统的Si、GaAs半导体材料的3~13倍,使得SiC器件可以在高温下长时间稳定工作;SiC和GaN的临界击穿电场是传统半导体材料的4~20倍,且具有更大的载流子饱和速率,在高功率电子器件方面有着巨大的性能优势。

  表1 半导体材料关键性能对比

 

  二、第3代半导体连接材料的重要性和要求

  第3代半导体材料凭借其宽禁带、高热导率、高击穿电场、高抗辐射能力等特点,在未来高频、高温、高功率、高能效、耐恶劣环境以及轻便小型化电子产品中有着巨大的应用前景,给半导体产业和产品带来了又一次巨大革命。

  由于第3代半导体器件工作环境较Si半导体更为恶劣,尤其对于在汽车、航天、钻井、雷达等中的高温高功率应用,其工作温度大多在300℃以上,面对这样高温、高功率和可靠性的市场要求,对其器件互连材料也较传统Si器件提出更高的要求。对于第3代半导体器件,为了能够满足高温环境下高功率性能的稳定实现,互连材料应具有以下特点:具有良好的导热性;热膨胀系数与芯片背面金属层匹配;耐高温,在空气氛围300 ℃保持稳定。

  三、连接材料

  1.键合丝(键合引线)

  键合丝是当前半导体功率器件使用最多的内封装连接材料,键合丝应具有以下特点:

  在大气或含有10%左右氢气的氮气流中键合丝的尖端加热熔融时,可形成无氧化膜的圆球,如图1所示 ;

 

  图1  键合丝尖端熔融的理想形态

  采用超声波热压焊时,在键合丝外部引线之间都能良好接合;

  进行树脂封装时,相邻键合丝之间不发生粘连;

  长期保存时,键合丝与半导体电极以及键合丝与外部引线之间的连接不会发生劣化。

  目前半导体连接材料中应用最广泛的是金丝、银丝、铝丝和铜丝。表2列出了这几种金属的性能特点。

  表2 半导体常用连接金属的性能特点

  金丝是引线键合使用最多的连接材料,具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优点,广泛应用于用于晶体管集成电路大规模集成电路等各种半导体器件中作为内引线用于各种电子元器件的连接材料。

  键合银丝是近年来LED、IC 行业内出现的替代传统键合金丝的产品。键合银丝的室温机械性能与键合金丝相当,在使用温度不是太高的领域(如LED 封装、IC 封装等)可以部分或全部取代键合金丝,降低生产成本。键合银丝一般采取多元掺杂合金,加入微量元素,减少金属化合物的形成,同时阻止了界面氧化物和裂纹的产生,降低了结合性能的退化,使结合性能和金丝一样稳定。

  键合铝丝虽然成本较低,易于成丝,但是存在以下问题:Al 的熔点低、易氧化;拉伸强度和耐热性比金低,易出现塌丝现象;性能不稳定,延伸率波动大[2]。另外铝丝存在形球困难等问题,只能采用楔键合,主要应用于功率器件、微波器件和光电器件。

  键合铜丝具有比金丝高的导电和导热性能,可以用于制造对电流负载要求更高的功率器件,而且可以使高密度封装时的散热更为容易[5]。铜丝较强的抗拉强度可以使丝线直径变得更细,焊盘尺寸和焊盘艰巨也能相应减小,价格比贵金属键合丝材便宜很多,使得键合铜丝为目前替代传统键合丝的最佳材料。但Cu易氧化,通常对其进行表面处理,形成一层抗氧化性好的金属,如Au、钯(Pd)、镍(Ni)、铂(Pt)(等),使其具有优异的抗氧化性。

  引线键合虽然是当前半导体封装的主要工艺,但对于较高密度的组装,带来引线缠绕、“塌线”、引线结合点热循环疲劳可靠性降低问题一直是困扰引线键合工艺的难题。而对于第3代半导体元器件,更高密度的封装、更高的运行频率及热循环,未来将会是对该工艺的挑战和待解决的问题。

  2.钎料

  钎料是微电子互连材料中最常用的互连材料,表3列出了一些被广泛使用的电子芯片互连钎料及其物理性能。由于环保的要求,现在正在从含铅钎料向无铅钎料进行转变,锡(Sn)-Ag,Sn-Ag-Cu等合金无铅钎料是封装领域最常用的材料,但这些Sn基无铅钎料大多熔点低于300℃,不能够满足第3代半导体元器件高温环境下使用。Au-Sn具有较高的熔点,良好的蠕变特性和防腐蚀性能,然而高温会加剧Au-Sn形成较脆的合金化合物,从而造成可靠性的降低,器件失效,并且其成本问题也是其广泛使用的一个障碍。

  表3 电子芯片互连常用材料的物理性能

  当前为了能够满足半导体元器件二次回流,半导体元器件封装用连接材料通常使用高熔点的高铅钎料,如Pb92.5Sn5Ag2.5、Pb88Sn10Ag2。该类钎料除了熔点较高之外,材质比较柔软,可以释放芯片由于热胀冷缩造成的应力,而不至于将芯片拉碎,因此为芯片封装领域较理想的连接材料。虽然无铅进程已经导入十余年了,但由于没有理想的高温无铅钎料,高铅高温钎料依然是豁免产品,对无铅高温钎料的开发依然是当前业内的一个难点。目前市场上仅有少数龙头单位有关于高温无铅钎料的应用报道,但仍然未能形成统一的认识。如美国铟泰有关于BiAgX系钎料和以预成型焊片的形态,在一些特殊场合使用的宣传报道;北京康普锡威科技有限公司有关于Sn-Sb-X[6]和复合焊料[7-8]等系列无铅高温钎料的报道。但真正在半导体元器件封装互连中大规模使用还需要一定的路要走,开发熔点较高(>260℃或>280℃)、材质柔软(减少由于热胀冷缩对芯片的应力)的无铅高温钎料,依然是当前业内努力的方向。

  3.纳米膏

  烧结技术通过高温使材料表面原子互相扩散,从而形成致密晶体的过程,是20世纪90年代初Schwarzbauer等人基于烧结理论发明的一种连接方法,被称之为低温烧结技术(LTJT)。通常通过减小烧结颗粒的尺寸,可降低烧结温度。

  纳米银粉由于其独特的纳米特性,为半导体芯片的封装提供了另一个崭新的思路。银的熔点是961℃,而当颗粒尺寸到纳米级别,其熔点会显著降低,至100℃左右,因此可通过低温烧结实现电子产品或芯片的互联,而烧结后的烧结层熔点又恢复到银的常规熔点,可满足电子产品在高温下正常使用,并且银具有优异的导热导电性和良好的化学稳定性,是第3代半导体封装最具应用前景的互连材料。

  近些年,国内外研究人员展开了对银纳米膏的制备、烧结工艺及导电导热性能进行了大量分析评估。Moon[10]等的研究发现,20nm银粒子在150℃即可表现出明显的烧结行为,300℃下烧结可得到多孔优质银膜。Akada等对烧结温度和烧结气氛对烧结接头强度的影响做了研究。在国内,天津大学最早开展了银纳米膏低温烧结技术的研究。并发明了一种新型低温烧结纳米银技术,实现了多种具有双面散热能力的无引线封装工。清华大学闫剑锋等人对银纳米膏的烧结性能进行了研究,表明200℃条件下烧结300℃,银烧结层为联通多孔结构,高于250℃时银颗粒出现明显的长大现象,如图2所示。天津大学杨呈祥等人开展了银纳米膏在大功率模块的性能研究,与SnAg3.0Cu0.5和导电胶2种连接材料进行对比,结果表明银纳米膏封装的大功率LED模块光电性能优异,且具有较强的长期可靠性。

  (a)未烧结;(b)150℃;200(℃);250(℃)

  图2 未经烧结和不同温度烧结30min银纳米膏的SEM照片

  铜纳米膏由于其优良的导电导热性能和较低的成本也受到了广泛关注,然而由于铜容易在空气中被氧化,若想将纳米铜颗粒用于半导体功率器件互连中,面临一系列技术上的挑战。仅有美国Lockheed Martin公司,英国Intrinsiq公司开发出了具有有机物包覆层的纳米铜导电膏体。新加坡南阳理工大学C. S. Tan课题组使用美国Lockheed Martin公司的纳米铜膏进行低温烧结的研究,通过表面去氧化处理,掺杂微米铜颗粒等方法提高烧结结果。清华大学张颖川等人研究了银铜混合纳米膏的烧结特性,结果表明,制得的纳米银+纳米铜混合焊膏具有良好的防氧化特性。

  纳米膏由于可以实现低温烧结高温使用,为第3代半导体连接材料提供了一个崭新的思路,但在产业化和大规模使用上还有很长的路要走,比如烧结焊层的孔隙率、与基材之间的结合强度、载体残留等问题还需亟待解决。

  四、展望

  第3代半导体材料由于具有非常显著的性能优势和巨大的产业带动作用,受到了世界各国的高度重视,欧美日等发达国家和地区都把发展第3代半导体技术列入国家战略。我国也将第3代半导体产业纳入战略发展的重要产业,2013年科技部在国家高技术研究发展计划(863计划)新材料技术领域项目征集指南中,也特别指出了要将第3代半导体材料及应用列入重要研究内容。2015年,第3代半导体产业技术创新战略联盟(CASA)的成立,为我国第3代半导体的发展建立了研发和交流平台,对推动我国第3代半导体材料及器件研发和相关产业发展具有重要意义。

  互连材料是连接半导体晶体管和元器件的关键材料,起着导电和导热的作用,影响着元器件电路导通、功能实现和稳定性。第3代半导体器件高温、高功率和可靠性的特点和市场要求,对其器件互连材料也提出了更高的要求。
转载 来源:新材料产业