功率器件封裝新突破：納米銅燒結(jié)連接技術(shù)

引言

隨著第三代半導(dǎo)體材料如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）的快速發(fā)展，功率器件的性能要求日益提高。傳統(tǒng)的封裝材料已無法滿足功率器件在高功率密度和高溫環(huán)境下可靠服役的需求。納米銅燒結(jié)連接技術(shù)因其低溫連接、高溫服役、優(yōu)異的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，以及相對(duì)較低的成本，在功率器件封裝研究領(lǐng)域備受關(guān)注。本文將綜述納米銅燒結(jié)連接技術(shù)的研究進(jìn)展，從納米銅焊膏的制備、影響燒結(jié)連接接頭性能的因素以及接頭的可靠性三個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)探討，旨在促進(jìn)低成本的納米銅燒結(jié)連接技術(shù)在高性能、高可靠功率器件封裝中的應(yīng)用。

一、納米銅顆粒及焊膏制備

1.1納米銅顆粒制備

納米銅顆粒的制備是實(shí)現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)的關(guān)鍵之一。常用的制備方法可分為化學(xué)方法、物理方法和生物方法?；瘜W(xué)方法如溶膠-凝膠法、水熱法、化學(xué)還原法等，具有操作簡單、成本低、產(chǎn)量大等優(yōu)點(diǎn)，但可能引入雜質(zhì)。物理方法如機(jī)械球磨法、濺射法、激光蒸發(fā)法等，能獲得高純度的納米銅顆粒，但設(shè)備成本高、工藝復(fù)雜。生物方法則利用微生物或植物提取物作為還原劑，具有環(huán)保、可持續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，但尚處于研究階段。

1.2納米銅顆粒氧化行為及影響

納米銅顆粒由于表面積大，極易與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成氧化銅層。氧化銅層的存在不僅會(huì)影響納米銅顆粒的燒結(jié)性能，還會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能的下降。因此，如何防止納米銅顆粒的氧化是制備高性能納米銅焊膏的關(guān)鍵之一。

1.3納米銅焊膏的防氧化措施

為了防止納米銅顆粒的氧化，研究人員采取了多種措施。一種常見的方法是在納米銅顆粒表面包覆一層抗氧化物質(zhì)，如碳層、硅層等。另一種方法是在納米銅焊膏中加入抗氧化劑，如有機(jī)酸、胺類等。此外，通過優(yōu)化制備工藝，如真空干燥、惰性氣體保護(hù)等，也能有效減少納米銅顆粒的氧化。

1.4納米銅焊膏的自還原特性

部分研究表明，納米銅焊膏在高溫?zé)Y(jié)過程中具有一定的自還原特性。即使在制備過程中納米銅顆粒表面形成了一定厚度的氧化銅層，在高溫下氧化銅也能與焊膏中的還原劑發(fā)生反應(yīng)，重新生成金屬銅。這種自還原特性有助于提高納米銅焊膏的燒結(jié)性能和可靠性。

二、納米銅燒結(jié)連接接頭性能影響因素

2.1燒結(jié)連接工藝參數(shù)

燒結(jié)連接工藝參數(shù)對(duì)納米銅燒結(jié)連接接頭的性能有重要影響。主要包括燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間、升溫速率和燒結(jié)壓力等。研究表明，適當(dāng)?shù)臒Y(jié)溫度和保溫時(shí)間可以促進(jìn)納米銅顆粒的擴(kuò)散和結(jié)合，提高接頭的強(qiáng)度和可靠性。升溫速率過快可能導(dǎo)致燒結(jié)不均勻，影響接頭性能。而燒結(jié)壓力則有助于排除燒結(jié)過程中的氣孔和缺陷，提高接頭的致密度和導(dǎo)電性能。

2.2燒結(jié)連接氣氛

燒結(jié)連接氣氛也是影響納米銅燒結(jié)連接接頭性能的重要因素。在惰性氣體（如氬氣、氮?dú)猓┍Ｗo(hù)下進(jìn)行燒結(jié)，可以有效防止納米銅顆粒的氧化，提高接頭的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能。此外，部分研究表明，在氫氣或含有還原性氣體的混合氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，可以進(jìn)一步促進(jìn)納米銅顆粒的自還原過程，提高接頭的強(qiáng)度和可靠性。

2.3表面金屬化層

在功率器件封裝中，芯片和基板表面往往需要進(jìn)行金屬化處理，以提高燒結(jié)連接接頭的性能。常用的金屬化層材料包括鈦（Ti）、鎳（Ni）、銅（Cu）等。金屬化層不僅可以提供良好的潤濕性和附著力，還能有效防止基材與焊膏之間的化學(xué)反應(yīng)，提高接頭的可靠性和穩(wěn)定性。

三、納米銅燒結(jié)連接接頭可靠性

3.1熱老化試驗(yàn)

熱老化試驗(yàn)是評(píng)估納米銅燒結(jié)連接接頭可靠性的重要手段之一。通過在不同溫度下對(duì)接頭進(jìn)行長時(shí)間加熱，觀察接頭的形貌變化、電阻變化等，可以評(píng)估接頭的熱穩(wěn)定性和可靠性。研究表明，經(jīng)過適當(dāng)熱老化處理的納米銅燒結(jié)連接接頭，其強(qiáng)度和導(dǎo)電性能均能得到顯著提高。

3.2溫度循環(huán)試驗(yàn)

溫度循環(huán)試驗(yàn)是模擬功率器件在實(shí)際工作過程中溫度變化的重要手段。通過在不同溫度下進(jìn)行循環(huán)加熱和冷卻，觀察接頭的形貌變化、電阻變化等，可以評(píng)估接頭的熱循環(huán)穩(wěn)定性和可靠性。研究表明，納米銅燒結(jié)連接接頭在溫度循環(huán)試驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和可靠性。

3.3熱沖擊試驗(yàn)

熱沖擊試驗(yàn)是評(píng)估納米銅燒結(jié)連接接頭抗熱沖擊性能的重要手段。通過在短時(shí)間內(nèi)對(duì)接頭進(jìn)行急劇加熱和冷卻，觀察接頭的形貌變化、電阻變化等，可以評(píng)估接頭的熱沖擊穩(wěn)定性和可靠性。研究表明，納米銅燒結(jié)連接接頭在熱沖擊試驗(yàn)中表現(xiàn)出較高的抗熱沖擊性能。

3.4功率循環(huán)試驗(yàn)

功率循環(huán)試驗(yàn)是模擬功率器件在實(shí)際工作過程中功率變化的重要手段。通過在不同功率下進(jìn)行循環(huán)加熱和冷卻，觀察接頭的形貌變化、電阻變化等，可以評(píng)估接頭的功率循環(huán)穩(wěn)定性和可靠性。研究表明，納米銅燒結(jié)連接接頭在功率循環(huán)試驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和可靠性。

四、總結(jié)與展望

納米銅燒結(jié)連接技術(shù)作為一種新型的功率器件封裝技術(shù)，具有低溫連接、高溫服役、優(yōu)異的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能以及相對(duì)較低的成本等優(yōu)勢(shì)。近年來，隨著第三代半導(dǎo)體材料的快速發(fā)展，納米銅燒結(jié)連接技術(shù)在功率器件封裝領(lǐng)域的應(yīng)用前景越來越廣闊。然而，納米銅顆粒的氧化行為、燒結(jié)連接工藝參數(shù)、燒結(jié)連接氣氛以及表面金屬化層等因素對(duì)納米銅燒結(jié)連接接頭性能的影響仍需進(jìn)一步研究。未來，隨著納米技術(shù)的不斷進(jìn)步和制備工藝的優(yōu)化，納米銅燒結(jié)連接技術(shù)有望得到進(jìn)一步完善和提升，為功率器件封裝領(lǐng)域帶來更多的創(chuàng)新和突破。

參考文獻(xiàn)

由于本文為綜述性質(zhì)，未直接引用具體的研究文獻(xiàn)。讀者可根據(jù)本文所述的研究方向和進(jìn)展，查閱相關(guān)領(lǐng)域的最新研究成果和文獻(xiàn)，以獲取更詳細(xì)和深入的信息。