高功率碳化矽元件封裝技術最新發展(銅燒結)：材料世界網

江奕宏、謝咏明、高國書、張道智 / 工研院電光所

因應能源、車用、航太等場域使用之功率半導體元件有高溫、高可靠度的需求，而晶片接合封裝技術為其提升可靠度的關鍵所在，因此，具有價格優勢與低電遷移的銅燒結固晶接合技術在近幾年漸漸進入實用領域。本文將就銅燒結製程、可靠度、產業前景做簡單的文獻回顧，並介紹市售銅燒結材料與銅燒結接合技術的開發成果。

【內文精選】

前言

目前較為常見的功率模組接合技術，包括如：銲錫迴銲(Soldering)、固液擴散接合(Solid-Liquid Interdiffusion; SLID)、銀燒結(Ag Sintering)、銅燒結(Cu Sintering)等，簡介如下：銲錫迴銲作為最常用的功率模組中功率晶片接合技術，其製程具有不須施加壓力、接面材質限制少、製程時間短與可重複迴銲等優點，迴銲所用的銲錫因為其熔點低，雖然易於操作，但也容易在超過175˚C的工作溫度時導致模組失效。固液擴散接合法有對接著表面的粗糙度要求較低且製程時間短的優勢，但是由於對接著面晶相控制的要求高，因而增加製程難度。銀燒結作為取代迴銲的熱門接合技術，有導電導熱性佳、高溫穩定性佳、具有裂紋自癒性等優點，但也同時存在製程複雜與成本昂貴的缺點。因此，成本較低的銅燒結技術近期受到關注並期望能取代銀燒結技術，但銅表面較易氧化，故銅燒結技術對於銅膏或是接著表面的前處理需特別注意，進而增加製程複雜度。

如ZnAl、AuGe、AuSi、AuIn等無鉛焊料，皆可以在200˚C下工作，但含Au的銲料相對昂貴，而ZnAl的加工性差。相比之下，銀燒結、銅燒結、固液擴散（SLID或TLP(Transient Liquid Phase)）可以承受更高的工作溫度，基於其材料有更高的熔點。另外，上述三種技術因為燒結與SLID較低的加工溫度，相較於銲錫迴銲，可明顯降低加工過程中的熱應力。

銅燒結製程與機械性質

首先網印銅膏於基板上，經過烤箱烘烤去除銅膏中之有機溶劑，之後晶片置件，此時可能會使用到暫黏膠(Tacking Agent)幫助晶片固定，再施以壓力與溫度進行燒結，當燒結溫度達200˚C以上時暫黏膠會氣化，因此不影響燒結品質。

影響燒結品質的因素通常包括：銅膏中燒結顆粒的粒徑、燒結氣氛、燒結壓力、燒結溫度、燒結時間、燒結金屬介面、接著面積、升溫速率、銅膏厚度。以下就各因素影響的趨向簡述：以粒徑而言，無論是有壓力或是無壓力燒結，燒結顆粒粒徑約50~100 nm時有最佳的接合強度，而粒徑1,000 nm以上接合強度會明顯變差。燒結氣氛對接合強度影響如圖四，雖然銅燒結最好在低氧環境中進行以避免氧化，但圖四中可見在有製程壓力的狀況下，即便於大氣下燒結仍有極好的接合品質，可見施加壓力有助於燒結顆粒緻密並填補空隙，使銅氧化的效應降到最低，達到與銀燒結相當的接合強度。

圖四、氣氛對銀/銅燒結的影響，銅燒結於銅介面且溫度不超過400˚C，銀燒結於銀介面且溫度不超過280˚C

一般認為燒結的溫度、時間、壓力為影響接合強度的鐵三角，若減少其中一個則須以其他參數補償，以維持接合強度。至於燒結金屬介面對接合強度的影響，如文章一開始所述，深受晶格常數影響；但也有文獻顯示，晶格匹配並非唯一影響接合強度的原因，介面晶格匹配問題也可能藉著其他製程或配方的優化而獲得解決，如Hitachi團隊的文獻顯示，銅膏可在金、銀、銅、鎳、鈀表面上以無壓力燒結獲得40 MPa以上的接合強度。另外，其他影響因素趨向還包括：接著面積越大則燒結時有機殘留越多，會導致接合強度與可靠度降低；升溫速率越慢則會降低元件位移機率並減少有機殘留，以增進燒結品質；燒結膏厚度增加有助於降低塑性應變與承受較高的燒結壓力，但會導致燒結後收縮體積與熱阻增加，故應試驗或參考文獻以取得最佳厚度值。

燒結技術可靠度探討

以高溫儲存而言，一般來說燒結後會因氧化而導致接合強度略為下降，分別為兩種銅燒結接點在250˚C與200˚C環境儲存下接點強度的變化。以溫度循環測試(Temperature Cycling Test; TCT)來看，文獻顯示在-40˚C~200˚C TCT測試5,000Cycle的結果如圖十，相對於焊錫整面嚴重脫層，銀/銅燒結在晶片中心區域均無脫層，但銀燒結在角落明顯脫層而銅燒結沒有，推測其原因為銀的延展性較高並導致接點邊緣易因熱應力變形而導致脫層---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。