SiC功率器件的封裝技術要點

　　具有成本效益的大功率高溫半導體器件是應用于微電子技術的基本元件。SiC是寬帶隙半導體材料，與Si相比，它在應用中具有諸多優勢。由于具有較寬的帶隙，SiC器件的工作溫度可高達600℃，而Si器件的最高工作溫度局限在175℃。SiC器件的高溫工作能力降低了對系統熱預算的要求。此外，SiC器件還具有較高的熱導率、高擊穿電場強度、高飽和漂移速率、高熱穩定性和化學惰性，其擊穿電場強度比同類Si器件要高。

　　傳統的功率半導體封裝技術是采用鉛或無鉛焊接合金把器件的一個端面貼合在熱沉襯底上，另外的端面與10-20mil鋁線楔或金線鍵合在一起。這種方法在大功率、高溫工作條件下缺乏可靠性，而且不具備足夠的堅固性。當前對大功率、高溫器件封裝技術的大量需求引起了對這一領域的研發熱潮。

　　SiC器件的封裝襯底必須便于處理固態銅厚膜導電層，且具有高熱導率和低熱膨脹系數，從而可以把大尺寸SiC芯片直接焊接到襯底上。SiN是一種極具吸引力的襯底，因為它具有合理的熱導率(60W/m-K)和低熱膨脹系數(2.7ppm/℃)，與SiC的熱膨脹系數 (3.9ppm/℃)十分接近。焊接是把芯片與襯底貼合在一起的最常用方法。使用軟焊可以消除應力，卻要以熱疲勞和低強度為代價，而硬焊具有高強度卻無法消除應力。瞬態液相鍵合技術要求使用一個擴散勢壘，以防止Si3N4襯底上的銅金屬化層與用來鍵合SiC芯片的Au層之間的互擴散，這種技術還可用于高溫下的芯片粘接。

　　本文介紹了一種使用Sn96.5-Ag3.5焊膏實現2.5cm×2.5cm無孔隙芯片粘接的技術。此外，還對Si3N4活性金屬釬焊(AMB)襯底上應用的Au-In和Ag-In瞬態液相鍵合技術進行了研究。

　　實驗

　　本研究選擇Sn96.5-Ag3.5焊膏，采用直接覆銅 (DBC)襯底作為SiC功率器件的封裝襯底。DBC襯底使用了一個夾在兩片0.2032mm銅板之間的0.381mm AlN陶瓷板，銅板與AlN陶瓷熱鍵合在一起。使用干膜光刻工藝在DBC襯底上制作圖形，并采用噴霧刻蝕法把DBC襯底上多余的銅刻蝕掉。在燒杯中通過化學腐蝕法去除表面殘留的氧化物，然后在高溫真空腔室中進行干法腐蝕。使用SST 3130真空/壓力爐完成芯片和DBC襯底的粘接。此外按照封裝設計要求為鍵合過程中元件的支撐定位加工了鋼制或石墨工具。這種鍵合技術允許零件的對準容差在±0.0254mm范圍內。

　　首先，把預成型的Sn96.5-Ag3.5焊料切割成SiC芯片的尺寸。然后把鍵合工具、基板、預成型焊料、DBC襯底以及芯片按順序放置到加熱腔中。把整套裝置放到爐內，在60秒內升溫至液相線溫度240℃，接下來進行冷卻循環。隨后把封裝元件進行組裝。先把電源和控制信號連接裝置鍵合到DBC襯底的適當位置，再把連接管殼與外部元件的電源和信號連接線固定到側壁板上，接下來對側壁包封進行組裝。隨后把銅絞線放入DBC襯底上的連接裝置中，從而形成完整的封裝。

　　除了Sn96.5-Ag3.5焊料外，還對SiN襯底上用于瞬態液相(TLP)鍵合工藝的另外兩種無鉛芯片粘接系統進行了研究。在鍵合過程中，通過互擴散在基本金屬層之間加入低熔點間隔層，從而在鍵合溫度下實現等溫固化。通過使用液相鍵合法使焊點的完整性得到了提高，而且固化完成之后，焊點可以經受比鍵合溫度更高的工作溫度。

　　采用瞬態液相鍵合工藝對兩種無鉛合成焊料：Ag-In和Au-In系統進行了研究。Ag-In系統在10-6torr高真空循環條件下把3μm厚的In層和0.05μm厚的Ag層成功濺射到SiC芯片上，以防止In的氧化。Au-In系統把3μm厚的In層和0.05μm厚的Au層淀積在SiC芯片上。由于具有高互擴散系數，淀積完成后Ag幾乎馬上與In相互作用生成AgIn2化合物層，而In-Au系統則生成AuIn2層。然后把SiC芯片鍵合到SiN襯底上的金屬化堆疊上，由于含有Au和Ag濺射層，因此不必使用助焊劑或清洗液。由于原位生成了穩定的金屬間化合物AgIn2和AuIn2，說明這種方法是切實可行的。薄的Au層可防止Ag的氧化，這樣就無需使用助焊劑。這種方法與其它使用助焊劑去除氧化層從而完成鍵合的In基鍵合工藝大相徑庭。

　　Si3N4 AMB金屬化襯底含有Au或Ag濺射層，并且包含Si3N4/Cu/WC/Ti/ Pt/Ti/Au堆疊。將其放置在不銹鋼加熱腔中，并把SiC芯片放置在襯底上。采用40psi靜態壓力把芯片和襯底連接在一起，確保它們之間的緊密接觸。然后把整個組件裝載到退火爐中。爐溫上升到210℃，在富氮環境中保持這一溫度10分鐘，以防止In的氧化。然后組件在爐中冷卻到室溫以防止氧化。

　　在加熱過程中，In-AgIn2化合物中的In層在157℃時熔化。當溫度逐漸上升至210℃時，在40psi壓力作用下，白色的液相In逐漸從鍵合SiC芯片與襯底之間的界面擠壓出來。隨著In的進一步熔化，逐漸脫離AgIn2金屬間化合物層，通過固態-液態互擴散使Si3N4 AMB襯底上的Au和Ag層浸潤并分解出來。液相In與Ag和Au相互作用形成更多的AgIn2和AuIn2化合物。通過這種反應形成了焊點。由于與Ag相比，Au的含量非常少，因此它對焊點結構的影響并不明顯。隨著溫度升高到166℃以上，Ag和In之間的反應繼續進行，金屬間化合物不斷增多。如果持續反應下去，最終將耗盡所有的In。如果要使各種材料相互作用后形成均勻的焊點，Ag-In系統中Ag和In的成份比例應為74.2wt%Ag和25.8wt%In。

　　同樣，在加熱過程中，In-AuIn2化合物中的In層在157℃時熔化。熔化的In從AuIn2金屬間化合物層分解出來，形成富In的Au和AuIn2混合物。這種混合物使Si3N4襯底上的Au浸潤并分解，形成更多的AuIn2。反應發生后把系統冷卻到室溫，就形成固態焊點。如果要使各種材料相互作用后形成均勻的焊點，Au-In系統中Au和In的成份比例應為76wt%Au和24wt%In。為了測試焊點的可靠性，把樣品放置在大氣環境中，并在400℃高溫下進行了100小時的熱存貯實驗。

　　結果與討論

　　圖1中(a)和(b)分別是部分和完整封裝組件的照片，SiC芯片采用12mil (0.3048mm)Al鍵合引線鍵合到DBC襯底上。通過對封裝產品的掃描聲學顯微實驗證明，采用Sn96.5-Ag3.5焊料實現了無孔隙芯片粘接。電學測試證明這種封裝器件可以經受100A電流的沖擊。

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