纳米银焊膏焊点可靠性和失效机制
随着在电力电子、微波射频器件、汽车电子、航空航天以及军工等领域的广泛应用，第三代半导体对芯片封装材料的要求日益严苛，这些材料需具备卓越的机械强度、导热导电性能、高熔点、高温循环下的组织稳定性以及高温蠕变抗性。在此背景下，由于由于银较高的服役温度（961℃）以及优越的热电导率，使其作为低温互连材料在功率半导体领域得到了广泛的应用。然而，电力设备的不同组件之间的热膨胀系数(CTE)不匹配引起的高烧结Ag热应力，会导致瞬时灾难性失效(当应力超过烧结 Ag和烧结 Ag连接的极限强度)或随时间扩展裂纹导致的失效。后者随着累积塑性应变和变应变的增大而失效，从而使有效粘接面积减小，最终失效。这些裂纹的萌生和扩展是烧结Ag焊点在功率模块上的主要失效模式。在烧结银焊点成形过程中，除纳米银颗粒自身烧结外，纳米银与焊盘间的烧结互连也极大地影响了焊点的力学性能。尤其在银颗粒与异质金属焊盘键合时，焊点失效位置往往位于焊点界面处。因此深入理解纳米银与金属焊盘的连接过程与冶金机制将帮有助于更好的调控焊点性能并提升焊点可靠性。
（一）烧结接头内部晶体断裂机制分析：
纳米银颗粒晶间的烧结组织结构决定了烧结接头的机械性能。在这里，我们根据不同的烧结接头的机械性能，分析不同烧结程度的接头断面和金相界面组织形貌的，提出了三种不同的晶间组织变形失效机制：晶间互连组织良好孔隙率低以晶粒内部位错滑移主导的断裂机制，晶间互连组织较好但孔隙率略高以孔洞失效和晶内断裂共同主导的断裂机制，晶间互连组织较差孔洞偏高主要是在孔洞处失效的晶间界面断裂机制。
1.晶间组织良好孔隙率低的烧结接头
晶间组织良好低孔隙率的烧结接头内部失效模型被如下总结见图a1-a3。图(a1)是经过处理后的低孔隙率晶间组织良好的金相界面图，黑色部分表示孔洞，白色部分为晶间组织。在施加剪切载荷之后，由于孔洞很少且分布广泛，应力并不会集中在缺陷处，随着剪切力的不断增加，接头内部的晶粒需要不断滑移以应对塑性变形，产生不完全的位错，晶粒也被拉长。当剪切载荷增加到接头内部可以承受的最大值时，在晶间组织的叉口交会处出现了缺陷，同时晶粒也发生断裂，产生大量的塑性形变，形成韧窝状的断裂形貌如图(a3)所示，具有较高的剪切性能。
2.晶间组织良好孔隙率低的烧结接头
晶间组织较好孔隙略高的断裂失效过程见图(b1-b3)。图(b1)是经过处理的孔隙略高晶间组织较好的接头的金相截面图，相较于图(a1)，其孔洞数量明显增加，孔洞尺寸变大，但依然具有较好的晶间组织。当剪切载荷施加时，首先在孔洞处出现了部分应力集中区域，这些区域将会在早期就引入塑性变形甚至开裂，使组织内部缺陷增加。随着剪切力进一步上升，这些缺陷将会导致周围的晶粒承受更多的应力集中，进一步拉伸晶粒，导致晶粒的变形，最终引起晶粒的断裂，造成一种晶间-晶内混合的韧- 脆断裂模式。如图(b3)所示这种岩石状晶内塑性断裂的周围聚集着部分的孔洞和缺陷，在这种断裂模式的影响下接头仍然能够保持一定的剪切性能。
3.晶间组织差孔隙率高的烧结接头
图(c1-c3)显示了晶间组织较差孔洞偏高的断裂失效行为。图(c1)是经过处理后的未含烧结助剂的原始接头金相截面图，和图(a1)和(b1)相比，此图中存在大量的尺寸偏大以及分布广泛的孔洞。当剪切载荷刚刚施加时，这些孔洞缺陷处就开始集中大量的应力，同时由于存在较差的晶间组织结构，导致晶间出现大量的相界面如图(c2)中加粗实线所示。不等剪切力的进一步增加，这些缺陷和界面处就由于过早的应力集中而发生了断裂滑移，这也导致断面呈现出光滑的晶间断裂形貌，并无明显的晶内位错断裂形貌如图(c3)所示，这种断裂模式下接头的剪切性能较差，无法满足实际应用的需求。
（二）烧结银接头界面断裂机制分析
1.金银互连界面断裂失效模型
显示了金银互连界面断裂失效模型。如图（a1）所示此时接头的薄弱处位于金银界面的互连区域，从图（a3）中也可以观察出此时金银界面处存在大量的未键合区域。当剪切载荷施加时，首先这些未完全键合区域的缺陷处会产生大量的应力集中，在很低的应力载荷下，裂纹就会沿着这些金银界面的薄弱处进行扩展，直接造成了基板的剥离，因此图（a2）虚线处的DBC基板上裸漏了大量的金层，这种界面失效模式导致了较低的剪切力，无法满足实际应用的需求。
2.金银互连界面-烧结层内部混合断裂失效模型
金银互连界面-银烧结层内部混合断裂失效模型是被总结如下图(b1-b3)。图(b1)显示，当剪切载荷施加时，这种模型的裂纹首先在金银界面的薄弱区域展开，但是由于这种接头在金银界面存在一定的牢固键合区域如图(b3)虚线处所示。当裂纹展开到这些牢固的组织结构处无法突破时，就会沿着银烧结层内部的组织缺陷继续传递，使得应力开始向银烧结层内部的组织缺陷处集中，最终再次传递到金银界面的薄弱点，导致接头的断裂，如图(b2)所示可以在DBC基板中间区域观察到部分银层裂纹。这种接头界面失效模式可以保证接头一定的剪切性能。
3.银烧结层内部断裂失效模型
(c1-c3)显示了银烧结层内部断裂模型。这种模型的金银界面存在牢固的键合区域且银烧结层内部也存在良好的晶间组织结构如图(c3)所示。当剪切载荷施加时，这种烧结层的晶粒内部会产生用来协调塑性形变的位错，因而会在晶间组织处产生一定的应力集中，随着剪切载荷的进一步增加，这些应力集中部位会产生一定的裂缝缺陷，最终裂纹在这些裂缝缺陷等薄弱区域开始扩展，导致银烧结层内部的断裂。如图(c2)可以在DBC基板上观察到大量的银层裂纹，并无金层的存在，在这种断裂模式的影响下，烧结接头往往伴随着较大的剪切力，具有很高的机械性能。
通过对上述两-三种断裂失效机制的分析，明确了银焊膏烧结接头的力学性能主要受到接头内部晶间组织关系以及界面连接性能的影响。同时烧结助剂的使用能够进一步强化晶间组织，促进界面间的互连，使银焊膏能够在低温下烧结互连形成牢固的烧结接头。
（三）提升烧结银焊点可靠性的策略
为了提升烧结银焊点的可靠性，我们可以从材料优化、界面工程和应力缓解等方面入手，深入研究纳米银与金属焊盘的连接过程与冶金机制。
材料优化：通过调整纳米银颗粒的尺寸、形状和分布，可以改善其与异质金属焊盘的烧结互连质量。例如，较小的颗粒尺寸可以提供更大的表面积，有助于更牢固的互连。
界面工程：研究不同金属焊盘材料对焊点力学性能的影响，优化焊盘材料的选择和表面处理工艺。使用涂层或界面活化技术，可以提高银与焊盘之间的结合强度。
应力缓解：开发新型填充材料或结构设计，以缓解因热膨胀系数不匹配引起的应力集中。例如，使用弹性填充材料或多层结构，可以有效分散应力，减少裂纹的萌生和扩展。
结语：
随着技术的不断进步和应用需求的增加，银在功率半导体中的应用前景将更加广阔。通过持续的研究和技术创新，我们有望解决当前存在的技术挑战，进一步提升银焊点的性能和可靠性。
在未来，随着新材料和新工艺的不断涌现，我们可以期待银在功率半导体领域中发挥更加重要的作用，为电力设备的高效、安全运行提供有力支持。
[1] X. Liu, et.al. Low temperature sintering of MOD assisted Ag paste for die-attach application [J]. Materials letters, Volume 305,2021,130799.
[2] Z. Hao, et.al In situ bridging effect of Ag2O on pressureless and low-temperature sintering of micron-scale silver paste[J]. Journal of Alloys and Compounds,696,2017,123-129.
搜索更多
0551-68281313