SiC功率器件的封装技术

　　具有成本效益的大功率高温半导体器件是应用于微电子技术的基本元件。SiC是宽带隙半导体材料，与Si相比，它在应用中具有诸多优势。由于具有较宽的带隙，SiC器件的工作温度可高达600℃，而Si器件的工作温度局限在175℃。SiC器件的高温工作能力降低了对系统热预算的要求。此外，SiC器件还具有较高的热导率、高击穿电场强度、高饱和漂移速率、高热稳定性和化学惰性，其击穿电场强度比同类Si器件要高。

　　传统的功率半导体封装技术是采用铅或无铅焊接合金把器件的一个端面贴合在热沉衬底上，另外的端面与10-20mil铝线楔或金线键合在一起。这种方法在大功率、高温工作条件下缺乏可靠性，而且不具备足够的坚固性。当前对大功率、高温器件封装技术的大量需求引起了对这一领域的研发热潮。

　　SiC器件的封装衬底必须便于处理固态铜厚膜导电层，且具有高热导率和低热膨胀系数，从而可以把大尺寸SiC芯片直接焊接到衬底上。SiN是一种极具吸引力的衬底，因为它具有合理的热导率（60W/m-K）和低热膨胀系数（2.7ppm/℃），与SiC的热膨胀系数 （3.9ppm/℃）十分接近。焊接是把芯片与衬底贴合在一起的常用方法。使用软焊可以消除应力，却要以热疲劳和低强度为代价，而硬焊具有高强度却无法消除应力。瞬态液相键合技术要求使用一个扩散势垒，以防止Si3N4衬底上的铜金属化层与用来键合SiC芯片的Au层之间的互扩散，这种技术还可用于高温下的芯片粘接。

　　本文介绍了一种使用Sn96.5-Ag3.5焊膏实现2.5cm×2.5cm无孔隙芯片粘接的技术。此外，还对Si3N4活性金属钎焊（AMB）衬底上应用的Au-In和Ag-In瞬态液相键合技术进行了研究。

　　实验

　　本研究选择Sn96.5-Ag3.5焊膏，采用直接覆铜 （DBC）衬底作为SiC功率器件的封装衬底。DBC衬底使用了一个夹在两片0.2032mm铜板之间的0.381mm AlN陶瓷板，铜板与AlN陶瓷热键合在一起。使用干膜光刻工艺在DBC衬底上制作图形，并采用喷雾刻蚀法把DBC衬底上多余的铜刻蚀掉。在烧杯中通过化学腐蚀法去除表面残留的氧化物，然后在高温真空腔室中进行干法腐蚀。使用SST 3130真空/压力炉完成芯片和DBC衬底的粘接。此外按照封装设计要求为键合过程中元件的支撑定位加工了钢制或石墨工具。这种键合技术允许零件的对准容差在±0.0254mm范围内。

　　首先，把预成型的Sn96.5-Ag3.5焊料切割成SiC芯片的尺寸。然后把键合工具、基板、预成型焊料、DBC衬底以及芯片按顺序放置到加热腔中。把整套装置放到炉内，在60秒内升温至液相线温度240℃，接下来进行冷却循环。随后把封装元件进行组装。先把电源和控制信号连接装置键合到DBC衬底的适当位置，再把连接管壳与外部元件的电源和信号连接线固定到侧壁板上，接下来对侧壁包封进行组装。随后把铜绞线放入DBC衬底上的连接装置中，从而形成完整的封装。

　　除了Sn96.5-Ag3.5焊料外，还对SiN衬底上用于瞬态液相（TLP）键合工艺的另外两种无铅芯片粘接系统进行了研究。在键合过程中，通过互扩散在基本金属层之间加入低熔点间隔层，从而在键合温度下实现等温固化。通过使用液相键合法使焊点的完整性得到了提高，而且固化完成之后，焊点可以经受比键合温度更高的工作温度。

　　采用瞬态液相键合工艺对两种无铅合成焊料：Ag-In和Au-In系统进行了研究。Ag-In系统在10-6torr高真空循环条件下把3μm厚的In层和0.05μm厚的Ag层成功溅射到SiC芯片上，以防止In的氧化。Au-In系统把3μm厚的In层和0.05μm厚的Au层淀积在SiC芯片上。由于具有高互扩散系数，淀积完成后Ag几乎马上与In相互作用生成AgIn2化合物层，而In-Au系统则生成AuIn2层。然后把SiC芯片键合到SiN衬底上的金属化堆叠上，由于含有Au和Ag溅射层，因此不必使用助焊剂或清洗液。由于原位生成了稳定的金属间化合物AgIn2和AuIn2，说明这种方法是切实可行的。薄的Au层可防止Ag的氧化，这样就无需使用助焊剂。这种方法与其它使用助焊剂去除氧化层从而完成键合的In基键合工艺大相径庭。

　　Si3N4 AMB金属化衬底含有Au或Ag溅射层，并且包含Si3N4/Cu/WC/Ti/ Pt/Ti/Au堆叠。将其放置在不锈钢加热腔中，并把SiC芯片放置在衬底上。采用40psi静态压力把芯片和衬底连接在一起，确保它们之间的紧密接触。然后把整个组件装载到退火炉中。炉温上升到210℃，在富氮环境中保持这一温度10分钟，以防止In的氧化。然后组件在炉中冷却到室温以防止氧化。

　　在加热过程中，In-AgIn2化合物中的In层在157℃时熔化。当温度逐渐上升至210℃时，在40psi压力作用下，白色的液相In逐渐从键合SiC芯片与衬底之间的界面挤压出来。随着In的进一步熔化，逐渐脱离AgIn2金属间化合物层，通过固态-液态互扩散使Si3N4 AMB衬底上的Au和Ag层浸润并分解出来。液相In与Ag和Au相互作用形成更多的AgIn2和AuIn2化合物。通过这种反应形成了焊点。由于与Ag相比，Au的含量非常少，因此它对焊点结构的影响并不明显。随着温度升高到166℃以上，Ag和In之间的反应继续进行，金属间化合物不断增多。如果持续反应下去，终将耗尽所有的In。如果要使各种材料相互作用后形成均匀的焊点，Ag-In系统中Ag和In的成份比例应为74.2wt%Ag和25.8wt%In。

　　同样，在加热过程中，In-AuIn2化合物中的In层在157℃时熔化。熔化的In从AuIn2金属间化合物层分解出来，形成富In的Au和AuIn2混合物。这种混合物使Si3N4衬底上的Au浸润并分解，形成更多的AuIn2。反应发生后把系统冷却到室温，就形成固态焊点。如果要使各种材料相互作用后形成均匀的焊点，Au-In系统中Au和In的成份比例应为76wt%Au和24wt%In。为了测试焊点的可靠性，把样品放置在大气环境中，并在400℃高温下进行了100小时的热存贮实验。

　　结果与讨论

　　图1中（a）和（b）分别是部分和完整封装组件的照片，SiC芯片采用12mil （0.3048mm）Al键合引线键合到DBC衬底上。通过对封装产品的扫描声学显微实验证明，采用Sn96.5-Ag3.5焊料实现了无孔隙芯片粘接。电学测试证明这种封装器件可以经受100A电流的冲击。

　　如图2（a）所示，键合之后立即进行瞬态液相键合，所实现的Ag-In焊点的厚度非常均匀。根据SEM图可以看到，键合层的厚度约为8.5μm。通过对焊点的检测发现了四个不同的相：Ag、AgIn2、AuIn2和Ag2In，这一点通过EDX重量百分比分析得到了证实。图2（a）中所示的焊点的白色颗粒上半部分为AgIn2。通过EDX分析确定中间和下半部分为Ag2In层，正好覆盖在纯Ag层上，纯Ag层位于焊点下部与Si3N4 AMB衬底的交界处。显然，淀积在Si3N4衬底上的5.5μm厚的Ag层通过与SiC芯片上In层的相互作用形成了Ag2In。图2（b）表示了焊点在大气环境中、400℃下经过100小时热存贮后得到的结果。如图所示，Ag元素覆盖均匀，形成富Ag的Ag-In合金，即使在Si3N4衬底上早淀积Ag的位置发现了纯Ag相，合金中Ag的成份仍占70-75wt%。

　　通过芯片的抗拉和切变强度试验发现，Au76-In24和Ag74-In26焊点的抗拉和键合强度，这一点与MIL标准相一致。事实上，热老化可以改进抗拉强度，使之达到抗拉强度的两倍左右。

　　结论

　　使用三种无铅焊料系统：Sn96.5-Ag3.5、Ag74.2-In25.8和Au76-In24几乎实现了无孔隙焊点。实验看到，焊点厚度在热退火之前和之后保持不变，400℃下退火100小时后的Ag-In和Au-In焊点几乎没有出现退化现象，热老化改进了焊点的抗拉强度。