轉(zhuǎn)自：電子與封裝 

作者：王美玉¹，胡偉波¹，孫曉冬²，汪青³，于洪宇³

地址：1. 南開大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院，天津  300350；2. 中科芯集成電路有限公司，江蘇  無錫  214072；3 南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院，深圳  518055

摘要：傳統(tǒng)功率電子封裝主要以釬料連接和引線鍵合等二維平面封裝技術(shù)為主，無法滿足第三代半導(dǎo)體器件在高頻、高壓、高溫下的可靠應(yīng)用。為了解決這一問題，二維平面封裝逐漸向三維集成封裝發(fā)展。對功率電子封裝技術(shù)中的關(guān)鍵材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)和展望。連接材料從錫基釬料逐漸發(fā)展為金基釬料、瞬態(tài)液相連接材料、燒結(jié)銀等高導(dǎo)熱、耐高溫材料，連接技術(shù)從引線鍵合逐漸發(fā)展為雙面冷卻、器件集成和垂直疊層互連等。通過去除引線提高開關(guān)性能，集成多種芯片和器件提高功率密度，雙面冷卻提高散熱效率。三維集成封裝具有巨大的市場潛力，將成為未來的主要發(fā)展趨勢之一。

關(guān)鍵詞：功率電子封裝；封裝材料；封裝結(jié)構(gòu)；三維封裝；燒結(jié)銀；硅通孔

基金項目：深圳科創(chuàng)委項目（JCYJ20180508161601937）

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引  言

功率電子器件正在向著高頻率、高密度、高功率和高溫應(yīng)用的方向發(fā)展^[1]。目前，硅（Si）基器件仍占據(jù)主導(dǎo)地位，然而由于材料本身的特性，硅基器件的開關(guān)頻率、工作溫度和功率密度等受到了限制。相對于傳統(tǒng)硅基器件，第三代半導(dǎo)體如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等器件，由于具有更高的擊穿電壓、更寬的能帶隙、更高的熱導(dǎo)率和更低的功率損耗，越來越多地應(yīng)用在如無線通訊、電動汽車、航空航天等高電壓、高溫度和高頻率的應(yīng)用領(lǐng)域中^[2-3]。但與此同時，第三代半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展，也對封裝技術(shù)提出了更為嚴(yán)苛的要求。

封裝技術(shù)是一種將芯片與承載基板連接固定、引出管腳并將其塑封成整體功率器件或模塊的工藝，主要起到電氣連接、結(jié)構(gòu)支持和保護(hù)、提供散熱途徑等作用^[4]。封裝作為模塊集成的核心環(huán)節(jié)，封裝材料、工藝和結(jié)構(gòu)直接影響到功率模塊的熱、電和電磁干擾等特性。目前成熟的封裝技術(shù)主要是以銀膠或錫基釬料等連接材料、引線連接等封裝結(jié)構(gòu)為主，耐高溫、耐高壓性能差，電磁兼容問題突出，無法提供高效的散熱途徑。近來，燒結(jié)銀互連材料、三維集成封裝結(jié)構(gòu)等由于具有優(yōu)異的耐高溫、高導(dǎo)熱性能，可以實現(xiàn)雙面散熱、大幅降低開關(guān)損耗，使得功率模塊具有良好的熱、電特性和可靠性，獲得了越來越多的研究和關(guān)注，有望滿足第三代半導(dǎo)體器件在高溫、高壓和高頻領(lǐng)域的可靠應(yīng)用。本文針對功率電子封裝材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)和展望。

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封裝材料

典型的功率模塊封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，由功率芯片、連接材料、鍵合引線、陶瓷基板、底板、灌封材料、外殼和功率端子等組成[3,5]。各封裝材料的熱、電、機(jī)械和化學(xué)性質(zhì)不同，因此在封裝時需要綜合考慮各材料的性能進(jìn)行選擇，使整個功率模塊達(dá)到最優(yōu)的性能。

圖1  典型的功率模塊封裝結(jié)構(gòu)^[5]

芯片粘接、連接和基板等關(guān)鍵封裝材料與技術(shù)的發(fā)展趨勢如圖2所示。連接技術(shù)從鍵合引線向帶狀、銅柱、引線框架和電鍍通孔等方向發(fā)展，通過去除引線、增大連接面積來提高導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。芯片粘接材料從傳統(tǒng)錫焊向金基高溫釬焊、瞬態(tài)液相連接、燒結(jié)銀和燒結(jié)銅等方向發(fā)展，大幅提高導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，滿足高溫可靠應(yīng)用。基板向著增厚陶瓷基板的金屬導(dǎo)電導(dǎo)熱層發(fā)展，從而提高散熱效率[5]。

圖2  連接、基板和芯片粘接等封裝材料和技術(shù)的發(fā)展趨勢^[5]

2.1  芯片材料

常用半導(dǎo)體材料的性能參數(shù)如表1所示[6-7]。Si因為技術(shù)成熟和成本低等特點，目前被廣泛應(yīng)用在各類分立器件和集成電路、電子信息網(wǎng)絡(luò)工程等領(lǐng)域。相比于Si，GaAs具備禁帶寬度大、電子遷移率高的特性，能顯著減小射頻尺寸、降低功耗，在射頻、無線通信和光電子領(lǐng)域的中低功率器件方面得到廣泛應(yīng)用。SiC和GaN具有更大的禁帶寬度，在高溫工作時不易吸收熱輻射能量跳變到導(dǎo)帶，并且具有更高的擊穿場強(qiáng)，所以寬禁帶半導(dǎo)體SiC和GaN比Si更適用于高溫和高壓場合。SiC的熱導(dǎo)率更大，散熱能力更好，具有較高的載流子遷移率，能夠提供較高的電流密度，并且耐高溫、耐高壓，因此常被用做功率器件，在電壓600 V及以上的高功率領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢，在新能源汽車和電力設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。GaN的電子遷移率和載流子速度更快，在高壓時的導(dǎo)通電阻和寄生參數(shù)更小，在高功率射頻方向具備明顯優(yōu)勢。因為GaN具有高功率密度、低能耗、適合高頻率、支持更寬帶寬等特點，主要用于5G通信和衛(wèi)星通訊等微波射頻領(lǐng)域、消費電子快充和新能源汽車等電力電子領(lǐng)域以及LED光電子等領(lǐng)域。與SiC類似，目前GaN技術(shù)仍在快速發(fā)展階段，成本相對較高。

表1  半導(dǎo)體芯片材料的性能^[6]

2.2  芯片粘接材料

SnPb合金釬料如Sn63Pb37，由于其優(yōu)異的性能，如較低的剪切模量，較高的潤濕性、延展性、熱-機(jī)械性能和可靠性，曾被廣泛應(yīng)用于芯片粘接材料。但是SnPb不符合歐盟RoHS無鉛標(biāo)準(zhǔn)，并且熔點較低（180 ℃左右），因此需要新的芯片粘接材料來滿足封裝結(jié)構(gòu)和材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）匹配和耐高溫的應(yīng)用需求。

目前應(yīng)用最廣泛的芯片粘接材料如表2所示^[8]。導(dǎo)電銀膠主要由樹脂基體、導(dǎo)電粒子（主要為銀粉）和分散添加劑、助劑等組成，其電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率相對較低，玻璃化溫度約為100~150℃，在高溫、高壓芯片封裝領(lǐng)域受到限制。與SnPb釬料相比，無鉛釬料如SnAg或SnAgCu等，Sn含量一般高于90％，熔點相對較高（220 ℃左右），在凝固過程中過冷度較大，容易形成粗大的樹枝晶組織及金屬間化合物，并呈不均勻分布，使其抗蠕變性減弱。此外，SnAgCu合金有較高的彈性模量，CTE與芯片和基板相差較大，在熱循環(huán)載荷作用下易發(fā)生疲勞破壞導(dǎo)致焊點剝離，降低了焊點可靠性^[9]。

表2  芯片粘接材料性能^[8]

高溫芯片粘接材料，如AuSn或AuGe等金基共晶合金釬料，具有較高的熔點（大于280 ℃）、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，并且容易實現(xiàn)無釬劑釬焊。然而，金基釬料中的金含量普遍較高，成本高昂，并且由于組成相具有高脆性，導(dǎo)致加工難度大、成品率低、產(chǎn)品性能差等缺點，嚴(yán)重影響其在功率電子封裝領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用[10]。

瞬態(tài)液相連接（Transient Liquid Phase Bonding, TLPB）是在熔點較高的被連接母材（如Cu、Au、Ag、Ni）中間加入熔點較低的中間層（如In、Sn），加熱使中間層與部分母材熔化并重新凝固，固液之間互相擴(kuò)散而形成連接的過程。選擇合適的材料和工藝，瞬態(tài)液相連接可以形成性能優(yōu)異的接頭，如連接強(qiáng)度大于60 MPa[11]。但由于中間層的選擇較少、成本較高，以及Au-In等材料的氧化問題，瞬態(tài)液相連接在高溫芯片互連的應(yīng)用中受到較大限制。

燒結(jié)銀互連也稱為低溫連接技術(shù)，是基于納米銀或微米銀顆粒的固相原子擴(kuò)散形成燒結(jié)連接。燒結(jié)銀工藝溫度低（200~300℃），熔點高（961 ℃），具有如熱導(dǎo)率高、抗溫度循環(huán)和功率循環(huán)可靠性高等眾多優(yōu)點，成為高溫芯片互連的優(yōu)先選擇，得到了越來越廣泛的研究和應(yīng)用[12]。但是燒結(jié)銀也有一些缺點，如成本較高，納米銀顆粒易低溫團(tuán)聚，微米銀焊膏需要加壓燒結(jié)，工藝復(fù)雜，并且需要芯片和基板表面進(jìn)行Ni/Au或Ni/Ag等金屬鍍層處理，以及存在銀容易發(fā)生電化學(xué)遷移等問題。相比于納米銀焊膏，納米銅焊膏由于成本較低，無電化學(xué)遷移的可靠性風(fēng)險，最近開始引起關(guān)注[13]。但納米銅顆粒易氧化，需要在惰性氣氛中燒結(jié)，增加了工藝復(fù)雜度和設(shè)備成本，具有一定的應(yīng)用局限性。

2.3  塑封材料

塑封材料的主要功能是電氣絕緣和環(huán)境隔離，起到防潮、防鹽霧、防霉、防塵、防碰撞和防振等防護(hù)作用，避免遭受環(huán)境的腐蝕與破壞，從而保證電子組件的電氣性能，甚至提高高壓功率模塊的電壓等級，避免電極放電，最終提高電子產(chǎn)品的可靠性[14]。塑封材料的種類和性能如表3所示，塑封材料可分為敷形涂料（Conformal Coatings）、底部填充膠（Underfills）、模塑料（Molding Compounds）、灌封膠（Potting Compounds）和頂部包封膠（Glob Tops）[14]。

表3  塑封材料的種類和性能^[14]

敷形涂料是一種常用于印制線路表面防護(hù)的有機(jī)涂料，需要與基板和組件有良好的連接性能。一般選擇具有低吸水率、高介電強(qiáng)度、匹配的CTE、低彈性模量的材料，如可在小于120 ℃低溫使用的丙烯酸，在小于165 ℃中低溫使用的聚氨酯，在小于200 ℃中溫使用的環(huán)氧樹脂，以及可在大于250 ℃高溫使用的硅樹脂、聚對二甲苯、苯并環(huán)丁烯和聚酰亞胺等。

底部填充膠和模塑料如圖3所示，其作用除了可以與周圍環(huán)境隔離和降低電場應(yīng)力，還可以通過降低或重新分布由CTE不匹配帶來的熱-機(jī)械應(yīng)力來提高封裝產(chǎn)品的可靠性[14]。因此，應(yīng)該盡可能選擇與封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)各組件CTE相匹配的材料，如CTE為(20~30)×10-6/K和小于20×10-6/K的硬質(zhì)材料分別作為底部填充膠和模塑料來分別降低來自焊錫球以及包括焊錫球在內(nèi)的整個封裝結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力。目前，最常用的底部填充膠和模塑料為二氧化硅填充的環(huán)氧樹脂。

灌封膠和頂部包封膠除了提高抗電場擊穿的電壓等級和避免周圍環(huán)境的腐蝕與破壞等，還對封裝結(jié)構(gòu)起到一定的機(jī)械支撐作用。目前最常用的灌封膠和頂部包封膠材料為可在小于165 ℃低溫應(yīng)用的聚氨酯，在小于200 ℃中溫應(yīng)用的環(huán)氧樹脂，以及在小于300 ℃高溫應(yīng)用的硅橡膠或凝膠等。其中硅橡膠或凝膠等軟質(zhì)材料由于具有較低的硬度和模量、較高的塑性和彈性，對芯片、鍵合線等封裝組件的應(yīng)力影響較小，得到了最廣泛的應(yīng)用。但硅橡膠和凝膠等軟質(zhì)材料的機(jī)械支撐和保護(hù)性能較差。為了抵抗外部沖擊，可以選擇樹脂等硬質(zhì)材料。但是樹脂通常具有較高的模量，需要選擇CTE匹配的材料，避免對整個封裝結(jié)構(gòu)帶來過大的熱-機(jī)械應(yīng)力。

（a）底部填充膠

（b）模塑料示意圖

圖3  功率電子封裝結(jié)構(gòu)中的底部填充膠和模塑料示意圖^[14]

2.4  基板與底板材料

一般來說，基板是一個“金屬導(dǎo)電層-絕緣層-金屬導(dǎo)電層”的三明治結(jié)構(gòu)，上下兩層金屬導(dǎo)電層分別用于芯片和底板的互連。根據(jù)制造工藝，基板可分為直接覆銅基板（Direct Bonded Copper，DBC）、直接電鍍基板（Direct Printed Copper，DPC）、直接覆鋁基板（Direct Bonded Aluminum，DBA）、活性金屬釬焊基板（Active Metal Brazing，AMB）、絕緣金屬基板（Insulated Metal Substrate，IMS）以及厚膜印刷基板（Thick-film Printed Copper，TPC）等。

DBC基板是在銅膜上采用薄氧化銅與陶瓷形成共晶連接，其兼具優(yōu)異的性能和相對較低的成本，在功率電子封裝中得到了最廣泛的應(yīng)用。然而，陶瓷連接界面處的氧化銅薄膜容易分層，造成DBC基板的抗溫度循環(huán)可靠性較低。AMB基板是采用活性金屬釬焊將金屬和陶瓷連接在一起，可以消除氧化層，提高可靠性。DBA基板是采用AlSi釬焊來連接鋁板和陶瓷，相對于DBC的銅層來說，鋁層的硬度更低，可以承受更高的熱-機(jī)械應(yīng)力，提高可靠性[15]。但鋁的熱導(dǎo)率比銅低，DBA基板的散熱性能不如DBC基板。IMS基板包括一層高導(dǎo)熱的絕緣樹脂、一層銅底板和厚銅膜。與DBC相比，IMB制造工藝簡單、熱處理溫度低、成本低、可靠性高。TPC基板是在陶瓷上絲網(wǎng)印刷一層銅膏，通過在850~950 ℃高溫?zé)Y(jié)，形成金屬膜與陶瓷的高強(qiáng)度連接，溫度循環(huán)可靠性較高，可與集成電路芯片和無源器件高度集成來形成混合模塊。最近也出現(xiàn)了基于厚引線框架-薄絕緣層的基板，簡化了多層基板結(jié)構(gòu)，提高了散熱效率[5]。

綜合考慮熱導(dǎo)率和CTE等，Al2O3、Si3N4、AlN和BeO是基板中最常用的陶瓷材料，其性能比較見表4[8,16]。BeO具有最高的熱導(dǎo)率，但是制備過程中的微塵對人體有害，導(dǎo)致其應(yīng)用受到很大限制。Al2O3是最經(jīng)濟(jì)的選擇，但是機(jī)械強(qiáng)度適中，導(dǎo)熱性能相對較差。AlN的熱導(dǎo)率比Al2O3更高，CTE與芯片更匹配。Si3N4具有更高的溫度循環(huán)可靠性，但成本相對較高[17]。相對而言，Al-AlN和Cu-Si3N4的組合可靠性更高，其原因是前者鋁材料較軟，彈性模量較低，容易變形，可以減緩熱應(yīng)力對陶瓷造成的損傷；后者Si3N4的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性較大，可以抵抗銅帶來的熱應(yīng)力。

表4  基板中的陶瓷材料性能^[8]

最常用的底板材料為Cu，為了降低CTE和保證高熱導(dǎo)率，金屬復(fù)合材料如AlSiC、W-Cu、Mo-Cu、以及Cu-Mo-Cu也得到廣泛應(yīng)用，其性能參數(shù)見表5[8]。底板一般會做鍍鎳處理，可以防止高溫下銅原子的遷移和氧化，提高銅底板的強(qiáng)度和變形抗力。

表5  底板材料性能^[8]

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