随着功率半导体器件的服役环境越来越恶劣，以碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体凭借其精良的高温性能成为行业运用主流。但目前尚缺少与之相匹配的低本钱、耐高温的互连材料，成为了制约行业发展的瓶颈。Cu-Sn全金属间化合物（IMC）因其本钱低、导电性好且知足低温连接、高温服役的特点被认为是空想的SiC芯片互连材料之一。针对功率半导体器件封装，对国内外近年来Cu-Sn全IMC接头的制备方法和可靠性进行了剖析和综述，并谈论了目前亟待办理的问题和未来的发展趋势。
关键词：功率器件封装；全金属间化合物；制备工艺；可靠性
目录
0.弁言
1. Cu-Sn全IMC接头制备方法研究进展
1.1 传统Cu-Sn全IMC接头制备方法
1.1.1 瞬态液相法
1.1.2 固液互扩散键合法
1.2 Cu-Sn全IMC接头快速制备方法
1.2.1 加快Cu-Sn原子的扩散速率形成接头
1.2.2 减少Cu-Sn原子间的扩散间隔形成接头
1.2.3 Cu-Sn IMC颗粒烧结形成接头
1.3 其它方法
2. Cu-Sn全IMC接头可靠性
2.1 热老化浸染下Cu-Sn全IMC接头的可靠性研究
2.2 温度循环下Cu-Sn全IMC接头的可靠性研究
2.3 电迁移下Cu-Sn全IMC接头的可靠性研究
3. 结语与展望
0 弁言
随着高铁、电动汽车、航空航天等领域的快速发展，作为电力掌握核心的功率半导体器件的服役环境越来越恶劣，服役温度哀求越来越高。第三代半导体碳化硅（SiC）等凭借其在高温、高压、高频等条件下的精良性能，且其理论事情温度乃至可以达到600 °C，成为耐高温功率器件发展的主流[1-3]。要充分发挥SiC芯片在高温条件下的精良性能，必须匹配与之得当的高熔点互连材料和耐高温封装方法。目前，功率器件耐高温封装方法紧张有三种：高熔点合金焊料、微/纳金属颗粒烧结和全金属间化合物（IMC）构造。连接材料能在较低温度下组装并在高温下服役是实际生产中的现实需求，而一样平常高熔点合金焊料须要较高的回流温度，可能会对芯片及其周围封装构造造成热损伤。纳米尺寸的Ag和Cu颗粒烧结虽然可知足低温连接工艺，但存在高本钱和高孔隙率的问题。因此，在低温下形玉成IMC接头已成为高温电子封装中非常有出息的办理方案。可以形玉成IMC接头的焊料体系紧张有Cu-Sn、Cu-In、Sn-Ag、Sn-Ni、Sn-Bi等[6-10]。个中Cu-Sn焊料因本钱低、导电性好、抗蠕变性能强等优点被认为是空想的SiC芯片互连材料。本文对近年来国内外Cu-Sn全IMC接头的制备方法和可靠性的研究进行综合剖析和评述，并对未来的研究趋势进行展望。
1 Cu-Sn全IMC接头制备方法研究进展
常见的三种高温互连封装方案特点如表1所示[4-10]，近年来在低温下形玉成IMC连接层技能备受研究职员关注。常见IMC材料体系如表2所示，紧张包括Cu-Sn、Ag-Sn、Cu-In、Sn-Ni等。这些材料中，Ag-Sn材料本钱较高；Cu-In材料天生的IMC熔点较低，适用于低温密封构造；Sn-Ni材料IMC天生速率十分缓慢；Cu-Sn材料因其本钱低、互连性好的特点，运用最为广泛，是目前主流选择。Cu-Sn全IMC接头制备方法大体可分为传统制备方法、快速制备方法以及其它制备方法。个中传统方法有瞬态液相法（TLP）、固液互扩散键合法（SLID）等。快速制备方法有加快原子扩散速率、减少原子间的扩散间隔、直策应用IMC颗粒烧结形成接头等。其它制备方法则包括了温度梯度制备及电感加热制备。
表1 常见三种耐高温互连封装方案特点 [4-10]
表2 IMC材料特点 (连接温度≤ 300 ℃时)
1.1 机动车考验标志电子化
1.1.1 瞬态液相法
瞬态液相法依赖基板Cu原子与中间熔化的Sn层相互扩散形成IMC。Liu等[11]研究了温度对接头制备效率的影响，创造在235 ℃ 保温150 min时，接头完备由Cu6Sn5+Cu3Sn组成；当把温度提升到265 ℃，形成同样构造的接头只需保温60 min，所有接头的剪切强度在8.5 MPa和24.2 MPa之间。关于Cu6Sn5和Cu3Sn占比对接头力学性能的影响，邵华凯[12]等在300 ℃下，60 min时制备了Cu6Sn5+Cu3Sn接头，150 min时制备了Cu3Sn接头。他们创造Cu6Sn5+Cu3Sn接头及全Cu3Sn接头均表现为脆性断裂，Cu3Sn晶粒会产生细晶强化，使得全Cu3Sn接头力学性能较好。当接头中Cu6Sn5含量较少时，Cu6Sn5占比不会明显改变接头强度；并且创造连接温度只对IMC形成速率有影响，对接头力学性能的影响不大。
1.1.2 固液互扩散键合法
Yao等[13]使Cu/Sn(6 μm)/Cu构造在260 ℃和0.04 MPa压力下保温，120 min时得到了由Cu3Sn+Cu6Sn5组成的全IMC接头；300 min时得到了全Cu3Sn接头。研究了不同Cu3Sn占比下接头力学性能变革，创造Cu3Sn含量提升会提高接头的剪切强度，全Cu3Sn接头的剪切强度为57.9 MPa。Lee[14]等采取Sn-0.7Cu焊膏作为中间层，焊接温度为300 ℃，0.2 MPa下键合1 h后得到由Cu6Sn5+Cu3Sn组成的接头，2 MPa下键合2 h后得到全Cu3Sn接头。结果表明，Cu6Sn5+Cu3Sn接头的剪切强度只有10 MPa，而全Cu3Sn接头剪切强度有55 MPa。Hang[15]在240 ℃对Cu/Sn(30 μm)/Cu接头保温720 min后得到了含有孔洞的Cu6Sn5+Cu3Sn接头；当温度上升到300 ℃，保温480 min后得到了Cu6Sn5+Cu3Sn接头。金凤阳等[16]对Cu-Sn-Cu三明治构造在0.06 MPa的压力下进行钎焊，制备了有残余Sn，Cu3Sn-Cu6Sn5-Cu3Sn，Cu-Cu3Sn-Cu的三类接头，如图1所示。三种接头的剪切强度分别为23.26 MPa、33.59 MPa、51.83 MPa。
图1 三种不同类型的接头[16]
1.2 Cu-Sn全IMC接头快速制备方法
传统方法制备全IMC接头的速率缓慢，尤其是当连接层的厚度超过30 μm时，制备韶光乃至达到十几个小时，难以知足高效封装。为此，研究学者们提出了多种办法来加快反应速率，从事理上大致可以分为加快Cu-Sn原子的扩散速率、减少Cu-Sn原子间的扩散间隔、直策应用Cu-Sn IMC颗粒烧结形成接头等。
1.2.1加快Cu-Sn原子的扩散速率形成接头
通过赞助外加能量场能够明显加快接头制备速率，目前的办法有超声赞助、电流驱动赞助等。在超声赞助上，陈达龙[17]等将铜片和锡箔堆叠为Cu-Sn-Cu三明治构造，在铜片上方施加0.06 MPa的压力，超声频率和功率分别为20 kHz和600 W。当超声韶光为15 s时，形成了Cu3Sn+Cu6Sn5接头；超声韶光为20 s时，形成了全Cu3SnCu3Sn接头，接头组织变革如图2所示。陈等对试样进行剪切试验，创造断口呈现出明显的脆性断裂或者以脆性断裂为主的断裂特色。Liu等[18]同样采取超声赞助TLP工艺得到了完全的Cu-Sn全IMC接头，并对其组织和力学性能进行了研究。结果表明，相较于传统的TLP工艺，超声赞助TLP工艺制备的接头力学性能更为均匀，接头弹性模量为123 GPa、硬度值为6.0 GPa、抗剪强度为60.1 MPa。也有研究职员利用电流驱动键合制备全金属间化合物接头。在电场浸染下，金属原子常日会沿着电子运动方向发生定向迁移，可以促进阳极界面IMC的成长[19]。Feng等人[20]在2×102 A/cm2条件下制备Cu-Sn全IMC接头，在电流浸染下，Cu6Sn5快速成长，终极形玉成Cu6Sn5接头。超声赞助TLP连接工艺为高温功率器件的芯片互连供应了一种新的方案，但是超声波会对电子器件造成不可逆损伤。电流驱动赞助制备对Cu6Sn5的成长有明显促进浸染，但是对Cu3Sn相的成长效果不明显，而且外加电流较大时也可能会对芯片造成损伤。
图2 不同超声赞助韶光下接头组织变革 [17]
1.2.2 减少Cu-Sn原子间的扩散间隔形成接头
减少Cu-Sn原子间的扩散间隔是目前较为可行的快速制备思路，紧张采取Cu@Sn颗粒、多种颗粒稠浊、泡沫Cu+Sn焊料、多层三明治构造等。Peng等[21]研究了Cu@Sn核壳（60wt%Sn）粉末瞬时液相烧结连接的组织演化和性能。在键合过程中，当Sn逐渐花费完毕，接头由Cu6Sn5、Cu3Sn和Cu组成。Wang[22]以Cu@Sn粉末与SAC305粉末为根本制备稠浊焊膏，使接头在250 ℃、1 MPa的压力下保温30分钟，接头组织紧张由Cu6Sn5和Cu3Sn组成，抗剪强度超过40 MPa。Cu@Sn颗粒作为连接材料时可防止Cu在回流期间氧化形成CuO，进而提高接头的剪切强度。Liu[23]等人制备镀Sn的泡沫Cu焊片，并将该焊片置于两个镀银Cu基板之间，在2 MPa、280 ℃下保温不同韶光，图3显示了保温20 min时的接头组织状态。结果显示，接头具有较好的抗氧化性，随着韶光延长接头孔隙率逐渐减少，30 min后接头孔隙率降至最低。江琛[24]对多层Cu-Sn构造形玉成IMC接头进行了研究，在20 N、300 ℃条件下，不同韶光接头组织变革如图4所示。2-5 min时，Cu层的溶解使Cu层呈扇贝状描述，Cu3Sn层较为平整；10 min时，接头中相邻Cu3Sn成长合并，终极呈现Cu-Cu3Sn-Cu构造。
图 3 接头描述[23]
图4 300 ℃下接头组织蜕变过程[24]
1.2.3 Cu-Sn IMC颗粒烧结形成接头
利用Cu-Sn IMC颗粒烧结形成接头具有较好的导热、导电及韧性。Zhong等[25]在200 ℃和5 MPa下烧结纳米Cu6Sn5膏体，保温20 min后得到全Cu6Sn5接头。Guo等[26-27]在200 ℃和10 MPa下烧结纳米Cu10Sn3膏体，保温20 min后得到全Cu10Sn3接头。但由于温度较低，有机物挥发较为困难，接头内有大量裂纹和孔洞。当温度升高到300 ℃时，裂纹及孔洞消逝。纳米IMC颗粒烧结增强了接头的塑、韧性，但IMC颗粒制备流程繁芜、本钱较高，同时还要考虑烧结时有机物挥发及孔隙问题。
1.3 其它方法
在温度梯度的浸染下，金属原子从高温区域向低温区域发生定向迁移，这种征象被称为热迁移效应[28]。Yang等人[29]研究了温度梯度对接头组织成长的影响。对接头的高下两端分别加热，上端温度为300 ℃、下端温度为200 ℃，5 min后，两端的Cu6Sn5便相互打仗并合并。然而，对付两侧等温加热的样品，纵然两侧加热温度均为300 ℃，相同韶光下两侧Cu6Sn5晶粒依旧没有相互打仗，如图5所示。刘昊宇[30]采取感应加热的办法对Cu/Cu-Sn复合焊片/Cu三明治构造进行焊接，创造高频感应焊接过程与传统回流焊有所不同。由于电磁搅拌浸染促进了Cu元素的扩散，使得接头中Cu3Sn组织先因此平面层状成长，后来变成柱状成长。
图5 不同温度梯度下接头组织变革[29]
目前在全IMC接头的制备方法中，TLP及SLID互连技能虽然无须助焊剂，但由于Cu原子只能从基板处扩散至连接层中央，导致接头制备速率缓慢，在功率器件封装中的运用受到限定。在快速制备方法中，外加能量场确实能大幅加快制备速率，但外加能量场机构设置困难、外加的能量随意马虎破坏器件其它构造。利用物理或者化学手段直接制备出纳米IMC颗粒，再通过烧结工艺制备接头，该方法增强了接头的塑、韧性，但颗粒制备流程繁芜，还要战胜烧结工艺中涌现的问题。上述不同制备方法中Cu-Sn全IMC接头剪切强度如图6所示[11-20, 41-45]，对付同一方法制备的接头，全Cu3Sn接头相较于Cu6Sn5接头剪切强度更高，一方面是由于Cu3Sn强度比Cu6Sn5高，如表3所示；另一方面由于全Cu3Sn接头中Cu3Sn晶粒比Cu6Sn5小，会产生细晶强化征象，再加上接头中界面减少，共同提高了接头剪切强度。对付不同的制备方法，与传统TLP工艺得到的全IMC接头剪切强度(约35~40 MPa)，以及锡基钎料接头的剪切强度(约20~30 MPa)比较，超声和电流赞助接头普遍具有更高的互连强度(约50~70 MPa)，这是由于外加能量场细化晶粒起到了强化接头力学性能的效果。
图6 不同制备方法中Cu-Sn全IMC接头剪切强度 [11-20, 41-45]
表3 Sn、Cu6Sn5、Cu3Sn、Cu的物理性子
接头制备时工艺参数涉及连接温度、连接层厚度、赞助压力大小以及外加能量场等，依据Vianco等人对IMC层的成长机理的研究，创造其成长厚度符合公式(1) [31-32]。式中，X(t)表示韶光t后界面处IMC层的厚度，X0表示界面处初始IMC层的厚度，A0为数值常数，Q为扩散活化能，R为气体摩尔常数(8.314 J/(mol·K))，T为热力学温度，t为加热韶光，n为韶光指标。根据韶光指标n的取值，可以区分出以下三种类型的IMC成长机制。当n=1时，成长规律服从线性成长。线性成长意味着成长速率仅受成长部位的反应速率的限定，而不受IMC组分扩散到反应部位的速率的限定。当n= 1/2时，增长规律遵照抛物线增长。当层成长受元素向反应界面的体积扩散掌握时，抛物线成长动力学适用。随着IMC层的厚度的增加，IMC层的成长变得越来越困难，这是由于一个或多个IMC组成元素的扩散必须通过已有的IMC层扩散才能到达反应部位。当n= 1/3时，增长规律为次抛物线增长，层成长受元素向反应部位晶界扩散掌握时，采取次抛物线成长动力学[33]。
由上式可知，当IMC成长类型相同时，界面处IMC厚度的增加受温度、时效韶光和扩散系数等成分的共同影响，快接头制备速率须要提高连接温度、提高赞助压力、减少接头厚度、增加外加能量。但在实际生产运用中，由于材料及构造限定，提高温度、压力和外加能量可能导致芯片受损，而减薄接头厚度可能使得构造可靠性低落，因此减少Cu-Sn原子间的扩散间隔实现制备速率与焊料层厚度的解耦，是未来比较有潜力的发展方向。
2 Cu-Sn全IMC接头可靠性
随着电力电子系统服役环境越来越严苛，功率器件的封装可靠性成为近年来研究关注的重点。接头可靠性研究紧张包括热老化、温度循环及电迁移下组织及性能的变革等。对付全IMC接头而言，目前的研究紧张针对接头的力学性能与高温可靠性。
2.1 热老化浸染下Cu-Sn全IMC接头的可靠性研究
功率器件的连接层在永劫光服役过程中受到自身产热和繁芜环境温度影响，其服役温度范围涵盖了150-600 ℃。研究全IMC接头在不同热老化温度下组织变革和可靠性极为必要。Sun等[34]创造Cu3Sn接头在150 ℃时效90天后，Cu3Sn与Cu之间涌现了许多明显的裂纹。裂纹涌如今Cu基板附近较大的Kirkendall空洞中，并逐渐向Cu3Sn内部延伸，终极与Cu3Sn内部的空洞相连，严重影响了接头的可靠性。Wang[22]等将Cu@Sn粉末与SAC305粉末制备的接头在300 ℃下时效800 h，创造Cu@Sn颗粒为IMC的快速天生供应了许多反应界面，而SAC305供应的Sn原子抑制了Cu3Sn的形核和成长，使得老化中形成的Kirkendall空洞分布在Cu6Sn5和Cu3Sn之间的界面上，这一特色让接头具有精良的抗剪切能力，老化后接头强度仍保持在60 MPa以上。对付500 ℃以上的高温环境，何溪[35]过TLP连接工艺制备全Cu3Sn接头，并在570 ℃下进行高温老化。结果表明，全Cu3Sn接头中的Cu3Sn层首先会全部转变为Cu41Sn11，终极转变为均匀的α（Cu）固溶体。在固溶体转变过程中，接头中央处产生大量连续空洞，严重影响接头的可靠性。朱阳阳等[36]将全Cu3Sn接头置于管式炉中进行620 ℃时效，时效过程中连接层内涌现了Cu3Sn，Cu20Sn6和Cu13.7Sn三种相。当时效韶光为7 min时，焊缝中间位置就已涌现了眇小空洞，但是该眇小的空洞非但不会降落接头的力学性能，反而能够阻挡裂纹扩展，从而提高接头的可靠性。时效至120 min时，焊缝中间位置的空洞数目进一步增加，聚合成为微裂纹，接头可靠性降落。
2.2温度循环下Cu-Sn全IMC接头的可靠性研究
器件在服役过程中连接层会受到来自环境和冷却系统的影响而经历较大的温度颠簸，由于IMC连接层和DBC基板热膨胀系数（CTE）不匹配，随着热循环次数的增多，界面应力集中处会萌生裂纹而导致器件失落效。为了探究Cu-Sn全IMC接头在温度循环下的组织变革和可靠性，Brincker等[37]对Cu/Cu3Sn/Cu构造的接头进行了-40～150 ℃下的热循环试验。创造在250个热循环周期后，接头组织仍有较好的均匀性，与银烧结接头比较，接头具有更好的可靠性。Li等[38]对接头进行了-40～120 ℃下的热循环试验，接头的失落效模式紧张为脆性断裂。裂纹紧张发生在基板侧的Cu6Sn5和Cu3Sn之间的界面处。紧张失落效模式是在基板侧的Cu6Sn5和Cu3Sn界面处发生分层，然后两侧的Cu6Sn5晶粒破碎。Bettahi等[39]将Cu3Sn/Cu6Sn5/Cu3Sn接头在-65～250 ℃下温度循环，65次热循环之后，接头仅剩下Cu3Sn组织，并且形成了柱状成长的CuO新相。经由260次循环，Cu3Sn层厚度连续增长，均匀厚度达到5.94 μm。剪切测试后创造，随着热循环次数增加，剪切强度也在增加，这可能是由于新天生的CuO相增强了接头。
2.3 电迁移下Cu-Sn全IMC接头的可靠性研究
当前功率器件所需电流密度大幅度上升，高密度电子流动下阴极度的Sn原子旭日极度迁移，使得接头随意马虎产生相分离和粗化，界面易产生空洞等毛病[40]。国内外对付Cu-Sn全IMC接头电迁移行为的研究紧张包括空洞形成与终年夜机制、微不雅观组织变革及接头可靠性等。徐刘峰等[41]在温度为120 ℃时，比拟电流密度为1×104 A/cm2和1.6×104 A/cm2时接头微不雅观描述演化过程。随着通电韶光增加，创造电迁移浸染下Cu原子扩散占主导地位，空洞不断在Cu3Sn层中间产生并聚拢终年夜，终极在Cu3Sn层中间形成一条裂纹状毛病，如图7所示。Chu等[42]制备了Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu6Sn5接头，在150 ℃下施加密度为2.2x105 A/cm2的电流。创造随着电迁移的进行，阴极度形成了部分多孔Cu3Sn层，并且接头电阻增加。在电阻增加量由10%变为50%时，多孔Cu3Sn组织不断变大，使Cu6Sn5层变成更小的梯形乃至变成了三角形，同时接头的可靠性降落。An[43]等用4 mm厚的Cu基板和30 μm厚的Sn箔，制备了含Sn接头以及全IMC（Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu6Sn5）接头，施加的电流密度为1.0x104 A/cm2。他们创造，在含Sn接头中Cu6Sn5层沿阳极快速增长，经由192 h后变为全IMC接头，组织变革过程中Cu3Sn层的增长险些不受极性影响，并且在Cu6Sn5层中涌现了许多眇小的孔洞，影响了接头的可靠性。
图7 电流密度为1x104 A/cm2时接头微不雅观描述演化 [41]
3 结语与展望
目前全IMC接头在第三代半导体芯片封装上尚无成熟的商业产品推出，但随着近年来该领域的研究进展和打破，基于TLPS技能研发的Cu@Sn@X焊片材料已通过部分运用验证及同行评价，并在在新能源汽车、通讯、电机等领域初步运用。Cu-Sn全IMC接头知足低温制备高温服役的封装特性，且具有本钱低、导电性好的优点，是SiC功率器件较为空想的连接层材料之一，但在接头的制备方法和可靠性上仍有诸多问题须要办理。
(1) TLP及SLID工艺虽无须助焊剂，但制备Cu-Sn全IMC接头效率较慢。在快速制备全IMC接头方法中，外加能量场能够有效提升制备效率，但须要额外设置外加能量机构，生产时须要对可靠性及本钱进行考虑。目前IMC颗粒烧结技能颗粒制备流程较为繁芜，急迫须要在开拓新的IMC颗粒制备技能。
(2) 减少Cu-Sn原子间的扩散间隔实现了制备速率与焊料层厚度解耦，是目前较为可行的封装方案之一。以核壳颗粒及焊膏添补泡沫Cu为连接层的办法随意马虎产生孔洞，接头连接时施加一定压力是减少空洞的有效办法。
(3) Cu-Sn全IMC接头在热老化和电迁移时存在原子迁移后的孔隙问题，利用基板镀层来缓解Cu和Sn原子迁移问题，也可以采取分外构造使Cu作为接头骨架起到机器增强的浸染。对付热循环可靠性，Cu-Sn全IMC接头表现较为良好，可在Cu-Sn二元体系根本上添加其它元素使连接层热膨胀系数与基板更加匹配。
声明：本文引用自胡虎安, 贾强, 王乙舒, 籍晓亮, 邹贵生, 郭福, 功率器件封装用Cu-Sn全IMC接头制备及其可靠性研究进展, 电源学报, (2024) 1-15.
来源：清连科技QLSEMI
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