3D封裝:低溫燒結銅接合技術

 

刊登日期:2022/3/2
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吳子嘉 / 中央大學化材系;王彰盟 / 昇貿科技股份有限公司;林俊安 / 歐門科技股份有限公司
 
功率元件具有突出的能源轉換效率與表現,近年來伴隨著車用電子、5G傳輸與能源相關等科技蓬勃發展,功率元件於市場中的需求大幅提高。然而功率元件的工作環境較傳統電子元件嚴苛,常於高溫高濕等環境下運作,因此以往常見的構裝材料與技術已漸漸無法滿足功率元件日趨多元的應用情境。以錫為基底的無鉛銲料來說,因其熔點較低,無法在高溫環境下維持相當的可靠度,故無法應用於功率元件的構裝上;另一方面,高溫銲料中又存有毒性(高鉛銲料)、價格(金錫銲料)與界面問題(鉍銀銲料、鋅錫銲料等)等疑慮,因而無法廣被應用。為解決高溫構裝製程與材料短缺的困境,許多接合技術,例如銅對銅直接接合、奈米粒子燒結與暫態液相接合皆於高溫環境下具有良好的熱穩定性與接合表現,能夠取代傳統銲料並達到銅接合之目的。
 
其中,奈米銅膠燒結銅接合被視為相當具有潛力的構裝方式之一。銅為一高熔點的金屬,具有優良的電導與熱導性質、高電子與電化學遷移抗性,且具有價格上的優勢。此外,使用銅做為接合材料也可降低多數接合基材因異質介面所衍生的可靠度問題,係功率元件理想的接合材料之一。將銅製備成奈米銅粒子後,其具有低熔點與高比表面積的特性,運用此優勢可大幅降低燒結製程所需的操作溫度與壓力,避免接合製程中過高的溫度與壓力引發元件中晶片翹曲與破裂等問題。而在燒結過後連接的奈米銅粒子熔點將提升,其性質接近塊材銅,故整體接合結構能應用在高溫的工作環境中。
 
而在燒結接合製程中最大困難乃是奈米銅粒子氧化的問題。在室溫環境下,奈米銅粒子表面即會生成氧化層,在高溫情況下氧化行爲會更加劇烈,而氧化物會阻礙粒子間表面擴散及連接效率,通常需要增加燒結製程中之溫度或壓力來完成接合。為了要使燒結製程溫度與壓力進一步降低,如何減緩或是避免表面氧化的產生成了燒結接合中最關鍵的因素。一般而言,會在合成奈米粒子的過程中添加高分子保護劑以隔絕氧氣的攻擊,亦或是在系統中通入還原性氣氛、添加抗氧化劑來去除環境中的氧成分。
 
在合成奈米銅粒子過程中於系統中添加長鏈的高分子,其可吸附在粒子表面形成立體障礙,同時能控制奈米粒子之粒徑大小,防止奈米粒子彼此凝聚,也可防止奈米粒子表面氧化。常見的保護劑有聚乙烯吡咯烷酮 (Polyvinylpyrrolidone)與溴化十六烷基三甲銨 (Hexadecyl Trimethyl Ammonium Bromide)等長鏈高分子。然而,在製程過程中如何去除保護劑亦為影響接合表現之關鍵步驟,一般而言,保護劑分子量越大,抗氧化的能力越好,但其熱穩定性也較佳,需要使用較高的製程溫度才能裂解氣化,使之脫離粒子表面達到理想的接合。另一方面,若於燒結過程中通入還原性氣氛,如氫氣或是甲酸蒸氣,也可還原粒子表面的氧化層且避免再度氧化,也能省去保護劑殘留的隱憂。
 
使用純氫氣燒結奈米銅膠,可在300°C、無加壓的條件下,達到78%的燒結密度及4.3 µΩ-cm的電阻率。而使用甲酸蒸氣可在低於200°C的溫度下還原銅表面氧化層,藉由白金觸媒催化也可提升---此為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
近期研究中發現,奈米銅膠中銅粒子表面氧化層可作為觸媒,驅使聚乙二醇溶劑裂解產生還原性物質,進一步幫助還原銅粒子表面氧化層。圖一為聚乙二醇的奈米銅膠熱分析結果。初期於100°C內的熱重微分峰為奈米銅膠中的水分蒸散;第二個主要的熱重微分峰伴隨一明顯放熱峰則出現在220°C,此變化顯示出聚乙二醇裂解並與奈米銅粒子表面氧化層進行還原反應;而接近300°C時的第三個熱重微分峰則為聚乙二醇本身氣化反應。
 
圖一、聚乙二醇奈米銅膠熱分析結果
圖一、聚乙二醇奈米銅膠熱分析結果
 
而該奈米銅膠中的還原及燒結反應機制能由圖二中了解,一開始室溫下含有氧化層的奈米銅粒子散佈在聚乙二醇溶劑當中(圖二 1)。當溫度到達220°C時,奈米銅粒子表面氧化層催化聚乙二醇在低溫下裂解(圖二 2、3),而裂解產物含有大量---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖二、聚乙二醇奈米銅膠燒結機制示意圖
圖二、聚乙二醇奈米銅膠燒結機制示意圖

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