《Materials Science and Engineering: A》：Towards Power Device Packaging: Development of Cu-Au 10min Direct Bonding to Replace Sintered Ag Paste Using High Interface Density Surface Activation Layers
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功率半导体中SiC芯片与Cu基底直接键合技术通过表面激活和纳米沟槽调控，实现280℃/20MPa/10min下83.9MPa的高剪切强度，显著优于传统Ag烧结工艺，解决了材料成本、尺寸控制及可靠性问题，为高密度高可靠性功率模块提供新方案。
赵泽豪|吴伟|梁明|刘家豪|高丽银|张浩|刘志全
中国科学院深圳先进技术研究院，中国深圳518055
摘要
功率半导体芯片与基板之间的互连可靠性是限制宽禁带SiC器件性能的关键瓶颈。尽管主流的银颗粒烧结技术能够实现较高的结合强度，但它存在材料成本高、尺寸控制困难以及银引起的可靠性问题。为了解决这些限制，本研究提出了一种使用表面活化涂层的直接键合工艺，使得纳米级沟槽镀金的SiC芯片能够实现高效、高强度的直接扩散键合。为了突出活化层微观结构调节的效果，比较了三种不同的微观结构：EP-NT Cu（高界面密度的电抛光铜）、EP-FG Cu（中等界面密度的电抛光铜）和EP-CG Cu（低界面密度的电抛光铜）。结果表明，在氮气氛围中、280°C、20 MPa的压力下，EP-NT Cu基板与SiC芯片键合10分钟后，平均剪切强度达到83.9 MPa，远高于EP-CG Cu的47.3 MPa和EP-FG Cu的73.8 MPa。详细的界面观察显示，在无孔隙的界面上形成了近200nm的Cu3Au相，表明Cu和Au原子发生了充分的互扩散。这项技术为功率半导体芯片的高密度、高可靠性互连提供了一种低成本、高可靠性的解决方案。
引言
随着新能源汽车向高功率密度和高可靠性发展，SiC器件因其耐高温和高压的特性而成为核心选择[1]，因此SiC芯片与基板之间的键合质量变得越来越重要。目前，工业上主流的银颗粒烧结技术存在材料成本高、尺寸收缩以及可靠性问题[2]。虽然新兴的铜颗粒烧结技术降低了成本，但仍存在由于颗粒氧化和烧结孔洞导致的界面键合不良的问题。这两种技术都依赖于烧结介质，导致工艺步骤复杂[3],[4]。在这种背景下，迫切需要新的键合技术来满足SiC模块的要求[2],[4]。
传统键合工艺的核心限制在于材料和工艺两个方面。从材料角度来看，基于银的烧结浆料不仅成本高昂，而且在干燥和烧结过程中容易发生尺寸收缩，从而影响封装精度，甚至由于浆料溢出而损坏绝缘性能。此外，在长期使用过程中，银层与铜基板之间的界面容易发生脱湿现象，加剧性能下降[5]。从工艺角度来看，银和铜的烧结都需要印刷、干燥和压力烧结等步骤，导致设备投资和能耗较高[6]。同时，烧结介质中的残留有机添加剂可能会形成界面孔洞，增加杂散电感和电路损耗。此外，在连接大尺寸芯片时需要大量的烧结浆料，进一步增加了材料成本和工艺风险。这些因素使得难以满足功率模块“低成本、高精度、高可靠性”的大规模生产要求[7],[8],[9],[10]。
在当前的功率器件封装领域，传统银颗粒烧结的工艺窗口为220–280°C（温度）和10–60分钟（保持时间），并且依赖于温度-时间-压力的协同调节来确保键合质量。然而，对于金属扩散互连（如Au-Au和Cu-Cu）来说，这些工艺参数过于严格，因为在280°C时，两侧原子之间的自扩散系数很低（10-22～10-24m2/s），无法在短时间内实现有效的扩散键合。值得注意的是，SiC功率芯片的主要金属化方案是Ti/Ni/Au，因为它们具有优异的耐腐蚀性和扩散屏障性能[12],[13]，而AMB基板的金属化方案是Cu，因此开发Cu-Au直接键合技术可以在不需要额外制备银层的情况下适应现有的大规模生产流程。值得注意的是，表面和微观结构的调节已被证明是优化接触和促进高效键合的关键手段[14],[15]，尤其是在材料设计方面[16],[17]。
总之，本研究旨在通过表面控制和活化预处理等策略，实现SiC芯片与铜基板之间的高效互连，提出了一种替代金属颗粒烧结的新颖封装互连方法。直接键合简化了工艺步骤，为高性能功率模块提供了一种低成本、高可靠性的互连技术解决方案。
样品制备
样品制备
本研究中使用的SiC功率芯片尺寸为5×5毫米，由深圳基础半导体有限公司提供。该芯片的上表面和下表面预先镀有Ti/Ni/Au金属层：Ti层（0.05微米厚）作为粘附层，Ni层（1微米厚）作为扩散屏障层，Au层（0.07微米厚）主要用于降低界面接触电阻。通过共聚焦激光扫描确认了Au层上存在纳米级沟槽
表面形貌和微观结构
图2a展示了SiC芯片的横截面结构。可以看出，SiC芯片上的金属层依次为Ti、Ni、Au。此外，在Ni层中也检测到了高密度的纳米孪晶结构。最近的研究[22]也专注于优化基于Ni的键合层中的孪晶结构以促进原子扩散，这与本研究中Ni层的纳米孪晶设计是一致的。图2b显示了镀金SiC芯片的表面轮廓。
结论
本研究提出了一种高效的、高强度的Cu镀层基板与Ni/Au镀层SiC芯片之间的直接键合技术。采用Cu活化层替代了传统银颗粒烧结技术中的银层和银浆。得益于EP-NT Cu活化层的高（111）取向和高界面密度，经过280°C、10分钟的键合后，平均剪切强度可达83.9 MPa。透射电子显微镜（TEM）分析显示，两种材料之间实现了均匀且充分的相互扩散。
作者贡献声明
张浩：撰写 – 审稿与编辑、方法论、概念构思。高丽银：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论、资金获取、正式分析、概念构思。刘家豪：实验研究。梁明：实验研究。吴伟：实验研究、数据管理。赵泽豪：初稿撰写、实验研究、正式分析、数据管理。刘志全：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金获取
数据声明
数据可应要求提供。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：92373208和62574212）、深圳高层次人才创新创业计划关键技术研究开发团队资助（项目编号：JSGGKQTD20221101115650008）以及广东省重点领域研究开发计划（项目编号：2023B0101010002）的财政支持。
