用于晶圆级封装的半烧结银浆键合工艺
李志强， 胡 玉华， 张岩， 翟世杰.
中国电子科技集团公司第五十五研究所）。
摘要：选用一种半烧结银浆进行粘接工艺研究，通过剪切强度试验和空隙率检测确定合适的点胶工艺参数，并进行红外热阻试验和可靠性试验。 结果表明，半烧结银浆具有良好的工艺可操作性，烧结后胶层空隙率低。 当胶层厚度控制在30 m左右时，剪切强度达到2573 mpa；功放芯片采用半烧结银浆+TSV转接板烧结而成，其导热系数满足芯片散热要求; 经过可靠性测试，烧结芯片的剪切强度不降低，稳定性和可靠性高，可用于晶圆级封装的功率芯片的键合。
0 引言。 随着射频微系统技术在信息技术、生物医药、工业控制等诸多领域的应用日益增多，对集成度更高、性能更高、工作频率更高、成本更低的多通道多功能器件的需求也更加迫切[1-2]。 由于传统器件的物理局限性，很难实现进一步的突破，因此在封装层面提高器件的集成度变得越来越重要。 晶圆级封装是一种先进的封装技术，首先基于通硅通孔（TSV）技术制造硅基中间板，然后集成GANs和GaAs和Si CMOS控制芯片等复合多功能芯片，以及复合芯片、Si CMOS芯片和TSV中介板的三维堆叠，是促进低成本、 射频微系统器件的小型化和智能化开发。
传统硅片和砷化镓芯片通过导电银浆的晶圆级封装技术已应用于实际生产，相关的自动贴片设备、固化设备、工艺技术、可靠性等已经相当成熟和研究。 然而，随着以SiC和GaN为代表的第三代半导体单片微波集成电路（MMIC）器件在高温大功率场景下的快速应用，恶劣的使用条件对功率芯片的互连提出了更高的要求：一方面要求互连材料本身具有良好的导热性，另一方面， 它们要求它们在长期高温工作期间具有高可靠性。普通导电银浆导热性差，高温使用时会因热疲劳效应而降低连接强度[3]，可靠工作温度低，已不能满足功率芯片互连的应用要求。 因此，亟需找到一种既能在低温烧结、高温下又能与现有贴装固化设备兼容的新型连接材料。
近年来，纳米AG颗粒烧结银浆在电子封装中显示出良好的应用前景。 这些银浆大多是全烧结的，主要成分通常是纳米级AG颗粒、微米级AG颗粒和分散剂等有机溶剂，其粘度、触变指数等性能与普通导电银浆相差不大，现有的晶圆级自动贴片设备和固化设备都可以使用。 烧结后有机溶剂分解挥发，连接层几乎是纯银，导热系数高，导电性好，耐腐蚀性优异，抗蠕变性[4-5]。 然而，既往研究[6-8]发现，Ag纳米颗粒容易发生电化学迁移，银烧结层结构在高温下长期使用时容易出现孔隙聚集和破坏。 对于镀金界面，即使连接层的初始性能优异，但由于AG-AU之间的强互扩散，在长期高温使用期间性能也会迅速下降。 为了提高长期高温服务的可靠性，国外机构开发了半烧结银浆，增加了环氧树脂的含量，使其性能和烧结状态介于全烧结银浆和普通导电银浆之间。 本文选取一种半烧结银浆进行键合工艺研究，通过掌握银浆的工艺可操作性，确定了合适的键合工艺参数，并测试了其导热性和可靠性，以期用于晶圆级封装功率芯片的键合。
1 测试方法。
经过深入研究，选取了德国汉高公司生产的型号为ABP 8068TA的半烧结银浆，主要性能参数如表1所示。 可以看出，半烧结银浆ABP 8068TA的导电性和导热性远高于导电银浆H20E和MD140，但粘度介于两者之间，触变指数相差不大，因此可以使用现有的晶圆级自动贴片设备。 推荐的固化曲线如图1所示，烧结温度为200°C，可与现有固化设备一起使用。
用于制备试样的硅芯片的尺寸为23 mm×1.96 mm×0.25毫米，背面镀金，约85 μm；使用的硅基尺寸为 145 mm×13.5 mm×0.725毫米，表面镀金，厚度约35 μm。采用半自动点胶机进行点胶和修补，点胶参数如表2所示。 通过控制单个点的点胶时间，制备了不同粘结层厚度的样品，如图2（a）所示。 厌氧烘箱按固化曲线如图1所示进行烧结; 采用X射线检测胶层状态和烧结后的空隙率。 推拉力试验机用于剪切强度测试。
氮化镓功率放大器芯片采用半烧结银浆+TSV转接板烧结，键合样品如图2（b）所示，测试其导热系数是否满足芯片的散热要求，并与AU80SN20共晶合金+无氧铜载体的烧结工艺进行比较。 所选氮化镓放大器芯片的型号为WFDN080120-P41-5，尺寸为25 mm×1.6 mm×0.08毫米，背面金厚约60 m， 频率 8 12 GHz， 热消耗量 145 w；TSV转接板和无氧铜载体的尺寸为25 mm×3.0 mm×0.2毫米，TSV转接板表面镀金，厚度约35 μm。将试样组装到管壳中，然后将金线相互连接，完成整个试样的制备。
通过可靠性试验验证了半烧结银浆在实际工作中的性能变化，可靠性试验的试验方法和条件见表3。 采用扫描电镜观察界面形貌，采用推拉力测试仪进行抗剪强度试验。
2 测试结果和分析。
2.1 剪切强度和空隙性测试结果。
根据GJB548C-2021方法20193.规定：根据2倍力曲线，如果附着面积大于413 mm2，试件所受的最小力应为49 N; 如果粘附面积小于或等于413 mm2，试件所受的最小力应为 122 n/mm 2 。
图3显示了制备的样品在不同分液时间的固化状态，满足目视检查要求，不会溢出银浆。 图 4 显示了制备试样的剪切力，并指示了剪切力范围的范围。 可以看出，所有试件的剪切力都能满足GJB548C-2024年的规定。 同时可以看出，试样的剪切力不随点胶时间的增加而发生明显变化。 点胶时间越长，胶量越多，胶层越厚，因此可以推断，在一定范围内，胶层的厚度对剪切力影响不大，会大大增加工艺窗口的宽度; 当点胶时间为35 ms时，剪切力最高，为115 ms97 N，即剪切强度为 2573 MPa，相当于约30 m的粘接线厚度，如图5（a）所示。 由于划线后胶层的边缘不易区分，因此测量了含有硅芯片和硅衬底的镀金层的尺寸，镀金层的总厚度约为12 m。 半烧结银浆ABP 8068TA粘度小，触变指数大，硅片在自身质量的作用下可以缓慢挤出，保证了胶层厚度的一致性和胶水的充足性。 图5（b）中的X射线检测进一步证实了粘合剂线的内部是均匀的，几乎没有空隙。
2.2 红外热阻测试结果。
半自动点胶机用于功率放大器芯片的键合，点胶参数如表4所示。 放大器芯片粘合到 TSV 适配器板的外观和 X 射线检测**如图 6 所示。 可以看出，芯片键合光滑，无明显倾斜; 芯片周围有充足的胶水溢出，芯片表面没有银糊翻起造成污染和短路; 胶粘剂轮廓表面光滑，无孔洞，无裂纹; 粘合层内部均匀，几乎不存在; 完全满足射频微系统对功率芯片组装的要求。
图7显示了使用两种烧结方法的红外热阻测试结果。 可以看出，当功放芯片通过半烧结银浆ABP 8068TA烧结到TSV转接板上时，热阻值为5 1 W，满足芯片的散热要求。 然而，与采用AU80SN20共晶合金将功率放大器芯片烧结到无氧铜载体上的方法相比，热阻增加了约1 W，说明半烧结银浆ABP 8068TA+TSV转接板法的散热能力略差于传统的金锡共晶+无氧铜支撑法。 这可能是由于半烧结银浆由于环氧树脂的存在，不能使连接层像全烧结银浆一样纯银，因此导热系数在一定程度上降低。
2.3 接口组织和可靠性测试结果。
烧结银浆的低温烧结机理如下：银浆中所含的纳米金属颗粒通过其高表面在低温下扩散生长，形成相对致密的连接层，纳米金属颗粒与两侧的涂层金属或基体金属也通过固态扩散形成界面冶金结合[9]。 因此，烧结银浆可以通过在较低温度下进行无压烧结形成牢固的连接。 图 8 显示了半烧结银浆 ABP 8068Ta 烧结放大器芯片的横截面 SEM。 图9显示了完全烧结银浆烧结芯片的横截面SEM图。 从图8可以看出，银浆在烧结过程中发生了致密化行为，形成了厚度约为30 m的良好连续致密体，与切割测量结果一致。 与图9中银颗粒烧结形成的多孔结构不同，半烧结银浆的银颗粒没有完全连接在一起，而是形成较大的银颗粒，通过交叉排列形成紧密的连接。 将环氧树脂填充到银颗粒之间的缝隙中，从而降低连接层的整体孔隙率; 界面处的银颗粒与镀金层通过原子扩散形成良好的冶金结合，紧密结合，无裂纹。 因此，烧结连接层可以为功率IC的机械强度和导电导热性提供可靠的保证。
功率芯片在工作时会长时间处于高温状态，这就要求半烧结银浆在长期高温服务过程中具有良好的稳定性和可靠性。 图10为半烧结银浆ABP 8068TA烧结放大器芯片经过可靠性测试后的剪切力。 从图10（a）可以看出，烧结芯片的整体剪切力随着储存时间的增加呈缓慢上升趋势，高于储存前。 这种趋势可能是，经过一定时间的高温储存后，银浆中残留的有机物可以进一步分解挥发，银颗粒继续扩散和生长，从而进一步减少烧结孔隙并增加密度。 同时，银浆中的银原子继续扩散到芯片和基板镀层中，形成冶金结合，提高了结合强度[10-11]。 从图10（b）可以看出，随着温度循环次数的增加，烧结芯片的剪切力没有明显变化，这可能是由于烧结后，连接层中银颗粒之间的微小孔隙被环氧树脂填充，降低了连接层的弹性模量， 有利于应力的释放，因此在强热应力下仍能保持良好的连接强度稳定性。
3 结论。 1）半烧结银浆ABP 8068TA工艺可操作性好，工艺窗口宽;烧结芯片的剪切强度达到2573MPa，粘接层内部均匀，空隙率低; 现有晶圆级自动化贴片设备和固化设备，可满足晶圆级自动化大批量组装的应用需求。
2）半烧结银浆+TSV转接板的导热系数满足功率芯片的散热要求;经过可靠性测试，烧结芯片的剪切强度不降低，稳定性和可靠性高，可用于晶圆级封装的功率芯片的键合。