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Ag无阻挡层铜基板预激活凸点形成机制及对烧结强度影响研究。摘要：通过研究175-300℃预热对Ag镀铜基板表面形态的影响，发现温度超过250℃时热膨胀系数 mismatch引发Ag凸点生长，同时Cu通过氧迁移通道扩散到Ag表面形成氧化合物（高度达1μm），导致烧结强度下降（175℃时43MPa降至300℃的26MPa）。实验证实表面腐蚀和应力共同作用主导烧结性能变化，为电动汽车功率模块散热设计提供理论依据。
作者：YehRi Kim、Tae-Ik Lee、Dongjin Kim
韩国产业技术院（KITECH）先进封装集成中心（APIC），韩国仁川市延寿区21999号
摘要
本研究探讨了在未添加阻隔层（如钛（Ti）或镍（Ni））的镀银（Ag）铜（Cu）基底上，预先激活的银（Ag）颗粒的形成机制及其对银烧结连接过程的影响。由于热膨胀系数（CTE）不匹配，以及从Ag与Cu界面迁移出的氧气层的作用，当预热温度超过250°C时，会形成Ag颗粒。此外，这种氧气层的迁移有助于Cu向银镀层表面的扩散。因此，在250°C和300°C下，Cu通过迁移通道扩散到银表面，并与氧气反应形成高度约为1μm的二次氧化物和化合物。这些腐蚀和氧化现象阻碍了有效的银烧结，在芯片粘接过程中显著影响了银烧结层与银表面的结合强度。当Cu在无阻隔层的情况下预热至300°C时，由于预先激活的Ag颗粒和Cu的表面扩散，银镀层会形成颗粒。与在175°C预热的情况相比（此时不会形成颗粒），预热至300°C的基底经过银烧结连接后的结合强度从43 MPa下降到26 MPa。尽管存在颗粒和Cu表面突起，但仍可达到26 MPa的结合强度。然而，在将这种方法应用于直接冷却配置时，需要从热管理角度进行仔细考虑。
引言
直接冷却技术是将碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）功率模块的背面与散热器通过金属直接连接，而无需使用热界面材料（TIM）[1]。由于金属的导热性高于TIM，直接冷却的热阻显著降低，从而加快了热量传递，减少了功率模块内的功率损耗，并提高了功率密度。特别是对于汽车电子领域，这种基于金属的粘接技术因能够防止因TIM等材料长时间使用后蒸发而导致的组件可靠性和坚固性下降而备受期待。目前，银（Ag）烧结技术作为一种突出的芯片粘接技术受到关注，因为它具有高导热性（≥200 W/mK）和良好的热机械可靠性[[2], [3], [4], [5]]。为了适应银烧结的需求，直接粘接的铜（DBC）或活性金属钎焊（AMB）基底的表面处理必须采用银表面处理。对于直接冷却，汽车原始设备制造商（OEM）必须在将功率模块粘接到散热器或将其嵌入DBC/AMB基底之前做出选择。这一过程会使银镀层的DBC基底反复暴露在超过250°C的温度下。假设功率半导体的粘接是通过银烧结或铜（Cu）烧结完成的，那么冷却器的粘接也可以通过银或铜烧结来实现，因为冷却器的粘接温度低于芯片粘接的熔点。然而，经过反复热处理或芯片粘接过程的表面基底不可避免地会经历各种形式的表面腐蚀，如氧化、颗粒形成等[6,7]。在DBC或AMB上镀银的表面，这些过程可能会导致表面出现颗粒。
先前的研究表明，这些热过程会在带有阻隔层（如钛（Ti）、钨（W）、镍（Ni）、钯（Pd）等）的银镀层上引发颗粒和晶须的生长，从而导致压缩应力引起的颗粒形成[8]。在直接冷却过程中，银颗粒自然形成，这使其在银烧结粘接中起着关键作用[7,9,10]。了解在无阻隔层的镀银铜基底上银颗粒的形成及其对烧结过程的影响对于行业应用和成本降低至关重要。考虑到大规模生产，无需阻隔层在铜表面直接镀银是经济可行的，因此全球都在考虑这一方法。最近，Kim等人报道了在铜基底上进行直接镀银时颗粒的形成和特性[11]。在功率半导体芯片粘接过程中，了解DBC背面镀银表面上预先形成的颗粒缺陷的风险非常重要，因为在采用低温银烧结进行直接冷却时必须将DBC粘接到散热器上。此外，还需要从散热和可靠性的角度评估是否可以实现良好的粘接效果。因此，在无阻隔层的铜基底上进行直接镀银的情况下，迫切需要阐明预先生成和激活的颗粒以及表面状况如何影响利用银烧结技术实现电动汽车用逆变器的直接冷却技术。
在本研究中，对在Cu基底上预先形成银颗粒（温度范围为175°C至300°C）的腐蚀表面上进行了高功率密度封装的银烧结实验。研究了大比表面积（SSA）导致的烧结加速（即之前报道的低温烧结粘接机制）与应力导致的烧结加速之间的关联，以及表面腐蚀、氧化和污染导致的烧结加速哪个更为显著。通过这项研究，为高功率密度功率模块的直接冷却技术商业化提供了见解，其中预计将利用银烧结技术。
实验程序
图1(a)展示了芯片粘接结构及其材料参数的示意图。在175°C至300°C的温度范围内，使用热板对直接镀银（1 μm）的Cu基底进行了1小时的加热处理（毫米），随后在空气环境中自然冷却。银颗粒生成后，进行了无压力的芯片粘接过程。作为粘接材料，通过混合球形银颗粒制备了银纳米浆料。
镀银基底的表面形态
通过在不同温度下预热后进行扫描电子显微镜（SEM）分析，研究了直接镀银铜基底上的颗粒形成情况。在175°C和200°C的加热温度下未观察到颗粒（见图2(a)和(b)）。当加热温度超过250°C时，如图2(c)和(d)所示，在镀银铜基底表面形成了颗粒。在这些条件下，观察到异常的表面行为，即Cu通过银层扩散并聚集在表面。
结论
本研究探讨了在SiC功率半导体芯片粘接过程中，使用带有预先形成的银颗粒的银浆进行直接冷却的可行性。虽然银颗粒由于其较大的表面积促进了银烧结，但来自无阻隔层基底的Cu向银表面的扩散会显著污染银表面。此外，银镀层表面的氧化物迁移与Cu-Ag界面密切相关。
作者贡献声明
YehRi Kim：撰写初稿、数据整理、可视化。
Tae-Ik Lee：数据整理、形式分析、验证。
Dongjin Kim：撰写、编辑、监督、项目管理、资金获取、数据整理、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。作者确认本手稿尚未在其他期刊上发表，也没有被其他期刊全部或部分考虑。所有作者均已批准该手稿内容，并同意相关声明。
致谢
本研究得到了韩国政府（MSIT）下属的国家科学技术委员会（NST）（航空航天半导体战略研究项目编号GTL25051-000）的资助。作者衷心感谢韩国产业技术院（KITECH）关键技术项目（EH250008）对本工作的支持。
