用于高温封装的TLPS烧结焊膏

作者:EMD Performance Materials 公司:Shengyi Li,Yanrong Shi,Matthew Wrosch,Catherine Shearer

汽车、电力基础设施和航空航天等工业领域对大功率电子系统的需求日益增长。这些系统需要运行更快,运行更有效,最重要的是,在不存在可靠性问题的情况下,能够承受极端条件和高温[1]。最近发展的宽禁带半导体材料,包括碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),允许工作温度远高于Si器件,目前限制在T<150 ℃。多个行业的最新调查显示,SiC器件的典型最高工作温度范围为150~350 ℃,具体取决于应用条件[2]。在这样的温度下,高导热性和高热稳定性的互连材料对于产品的可靠性和效率至关重要。例如,芯片连接材料将器件连接到封装上以提供散热路径,这是确保整个系统高效可靠工作的关键部件。

最常用的芯片连接材料是传统的高铅焊料合金,因为它们易于加工,并且具有良好的热性能和电性能。为了应对众所周知的铅对人类生命和环境的威胁,正如欧盟的《减少有害物质法案》(RoHS)所反映的那样,该行业已经在很大程度上从使用传统的铅基焊料转向使用符合法规的材料。用于高温应用的高铅焊料的可接受替代品必须具有以下特性:1)其电气、热、机械性能必须在可接受范围内;2)可在与商用高铅焊料相同或更低的温度下加工;3)成本效益;4)在工作温度范围内工作可靠,某些应用可达到400 ℃;5)长期老化后保持机械和热性能;6)在大批量电子制造中的可加工性,具有与性能要求相称的低缺陷水平[3]。虽然许多钎料合金的液相线温度接近于高铅钎料的液相线温度,但还没有完全替代铅钎料的解决方案。一些无铅焊料合金的低熔化温度限制了它们作为高温(约300 ℃)应用的芯片粘接解决方案,以及在需要多个组装步骤的复杂组装中的使用。含铅或无铅焊料在反复回流过程中,由于存在重熔缺陷而面临挑战。在长期热老化过程中,焊料的稳定性也值得关注[4]。银烧结技术已被评估为替代高温芯片粘合的一种方法,然而,高成本的材料和制造工艺的高拥有成本,银纳米颗粒可能的健康问题,限制特定的适用的表面涂饰类型和潜在的界面可靠性问题仍然是其广泛实用的障碍[5,6]。因此,对于在高温条件下运行或经历多次组装工序(或两者兼备)的封装,仍然需要替代的、环境友好的芯片连接材料。

本文介绍的TLPS导电焊膏DAP-481-1和DAP-491-1(EMD性能材料)由铜粉、无铅SAC305焊料粉和有机助熔剂混合而成。当组件的热加工温度达到SAC305焊料粉的熔化温度(约217 ℃)时,液化焊料与铜粉和基体发生反应,导致在整个焊点中等距形成金属间化合物Cu3Sn和Cu6Sn5。所得到的金属网状物具有很强的键合力,以及很高的热导率和导电性能。对于高工作温度应用,导电焊膏的配方可以完全消耗熔融的SAC焊料,并完全转化为Cu3Sn,从而确保在>500 ℃的工作环境中具有稳定的微观结构。在所有TLP配方中,界面和内部残留的铜通过转化为相互连接的金属间化合物来防止氧化。由于生成的Cu6Sn5在415 ℃下熔化,并且Cu3Sn在638 ℃下稳定[3],因此烧结焊点可以在与焊料相同的工艺温度下回流多次,但不会在烧结后重新熔化,这使得在高温条件下保持形状并具有优异的热稳定性和抗疲劳性。TLPS焊膏可以使用传统的组装和热加工设备(回流焊或批量式回流焊炉)进行加工,并且它与大多数可焊表面金属涂饰相兼容。这些独特的特性使TLPS导电焊膏成为复杂组件和高工作温度应用的有效解决方案。

实验

在本研究中,TLPS焊膏是由Nordson Asymtek时间压力点涂器或ASM DEK NeoHorizon 01 iX模板印刷机沉积的,芯片是由全自动ASM SiplaceSX1贴片机贴放的。所有样品均使用常规9温区Heller 1809 MK II回流炉烧结,其峰值温度为255 ℃,氮气下缓慢冷却,或者,在氮气净化的Blue M TPS批量式回流焊炉中进行烧结,固化温度曲线包括:(1)升温速率5 ℃/min至240 ℃;(2)在240 ℃下停留30 min,以完成烧结反应(要求<500 ppm O2)。在Dage Series 4000推拉力测试机上进行芯片剪切试验。利用Netzsch闪光装置467测量热扩散率,并用Proteus软件计算热导率。

结果与讨论

高温特性

差示扫描量热法是一种方便的观察TLPS配方中金属组份反应和表征反应产物热稳定性的方法。对每种配方的加热、冷却和随后的再加热循环进行了分析。如图1所示,在标准无铅回流焊温度曲线下对DAP-481-1进行了研究。SAC焊料组份在217 ℃附近有一个尖锐的熔化峰,紧接着就是等温固化,这是因为液态锡与焊膏中周围的铜粉形成了金属间化合物。等温保持2 min后,将样品冷却至室温,然后再次升温至500 ℃

(粉红色部分)。在初始回流温度附近观察到仅存的熔融转变最小,在350 ℃附近有放热,这可能是由于Ag:Cu6Sn5+Ag3Sn→Cu3Sn+L[16]的反应。如图2所示,当采用较慢的升温速度和较长的等温时间来模拟批量式回流炉的过程时,铜和锡之间的相互扩散导致基体几乎完全由Cu3Sn组成,在第二个加热循环中没有发现重熔体。在这两种条件下,还观察到了Cu6Sn5的同素异性转变。

如上所述的DSC曲线所示,烧结TLPS焊膏的高温稳定性也反映在宽温度范围内芯片连接组件的强粘附性上。测试样件由连接到铜或镀银的引线框架上的镀银或镀金涂饰的3×3×0.25 mm3硅芯片组成。DAP-481-1焊膏可以通过常规的点涂(最小兼容针头:32Ga)和模板印刷技术很容易沉积。在这个数据集中,DAP-481-1用25Ga针头以X+中心点模式点涂,得到约35 μm的键合线。类似的原理也适用于模板开孔设计,以防止在贴放过程中截留空气。值得注意的是,与其它焊膏不同,TLPS焊膏的一个特点是它不会坍落或流动,并且在烧结过程中以最小的收缩率(通常<8%)保留沉积的几何形状。这种独特的特性使TLP焊膏成为需要极细间距和高纵横比、特殊3D配置、需要保持托脚高度以及对过度润湿和污染的低耐受性应用的杰出候选解决方案。

如上所述的实验部分,然后在隧道式回流焊炉或批量式炉子中烧结这些组件。481-1和491-1的X射线图像均显示出非常低的总空洞水平,无论芯片和引线框架表面涂饰如何,最大单个空洞尺寸均<1%。与回流焊工艺相比,批量式炉子工艺显示出略低的总空洞率,这可以归因于较慢的升温速率和较长的峰值停留时间,使助焊剂有机物完全分解和逸出。在室温下评估粘附强度,超过260 ℃的典型SAC焊料回流温度,高达325 ℃。对于DAP-481-1,标称剪切强度为2~4.5 kg/mm2,具体范围取决于芯片/引线框架金属化和工艺,如图3所示。DAP-491-1的抗剪强度更高,为4.5~6.5 kg/mm2,如图4所示。

热导率

高效的热传导和散热是芯片粘接材料的主要性能要求,特别是在高密度功率器件中。在等效光照条件下,测试了烧结态DAP-481-1和DAP491-1焊膏的热导率,并以纯铜按钮作为参考。此外,为了评估实际应用,也对3层样品进行了测试,用TLPS焊膏粘接两个镀[Ti/Ni/Au]的8×8 mm2 Si芯片,TLPS焊膏夹在中间,其中界面热阻在热通道中起主要作用。

两类样品(大块和3层)的DAP-481-1热导率均为28~30 W/(m·K),与高Pb焊料相当。DAP- 491-1是专为大功率应用中替代SAC或Au基焊料而设计的,其热导率超过50 W/(m·K)。三层样品表现出与基体表面涂饰冶金结合所产生的低界面电阻,从图5中DAP-481-1焊点的截面图中可以看到,连续的冶金网状物贯穿整个键合线。

三层样品也在-65 ℃和150 ℃空气-空气热冲击条件下进行处理。每250个循环,从冲击室中取出样品,测量一次热导率。样品是裸芯片,烧结的TLPS焊膏夹在其中,没有包胶注塑保护。模拟最坏情况,如在宽禁带(WBG)半导体应用中可能出现的情况,ΔT=215 ℃。这两种焊膏在1 000次热冲击循环中均表现出优异的热性能稳定性(比初始热导率下降不到15%),如图6所示。未观察到分层,分布的小空洞微观结构保持一致,而焊料有聚集形成大空洞的倾向,空洞在循环过程中导致分层。稳定的热导率读数表明,TLPS焊点不仅保持了其整体结构,而且即使在恶劣条件下也能保持界面的强附着力和完整性。相比之下,尽管银烧结材料通常具有较高的整体热导率,但在相同的热循环条件下测试用商业银烧结焊膏制备的3层样品,仅在200次循环后,有效热导率就显著下降(16%),1 000次循环后,热导率大约下降了50%。DAP-481-1和DAP-491-1焊点的稳定性明显优于焊料和银烧结。

整个热冲击循环的剪切强度

剪切强度稳定性证明了TLPS焊膏的长期可靠性。对图7所示的测试样件进行-65 ℃到>150 ℃空气-空气热冲击,每250个循环,在25 ℃和260 ℃条件下检测剪切强度。DAP-481-1和DAP-491-1在整个1 000次测试循环内均表现出稳定的附着力,波动较小。DAP-491-1焊膏组装的结果如图7所示。用模板沉积DAP-491-1到引线框架,然后将镀银的3×3×0.25 mm3 Si芯片粘接到250 μm厚的铜引线框架上,形成约40 μm的键合线。在25 ℃和260 ℃下,芯片剪切强度均在5.5~7 kg/mm2范围内,在CSAM中未观察到分层或芯片裂纹。

为了进行比较,使用领先的商用低空洞SAC305焊膏进行了类似的试验。在回流焊过程中,由于焊料以液相形式流动,存在明显的芯片移位和倾斜。X射线图像显示了大的聚合空洞,这是锡膏的典型特征,如图8(b)所示。虽然焊料在室温下加工过程中具有很强的附着力,但经过温度循环后,芯片的剪切强度显著降低,1 000次循环后仅保留50%的初始强度。对于高温粘接,为了验证通过无铅回流的热稳定性,还进行了260 ℃剪切试验。在高温(150 ℃)下,尽管仍远低于熔化温度,但SAC焊点的强度要弱得多,仅为其室温粘接强度的一半。在热循环处理后,这一数值进一步显著下降。这些较差的结果可能是由于界面分层造成的,这可以从图8(c)中箭头所示的X射线图像中看到。

正向应用空间

基于烧结技术的一个问题是焊点的刚度,以及组件和衬底之间的热膨胀系数(CTE)不匹配所产生的后续应力。为了评估TLPS焊膏(也是刚性材料)的正面应用空间,将250 μm厚的3×3、6×6、8×8和10×10 mm2尺寸(每种尺寸20个)的Si芯片组装在一个铜引线框架(250 μm厚)上并经受热冲击。图9(b)和图9(c)分别为使用DAP-491-1焊膏粘接的10×10 mm2尺寸芯片在批量式炉子和回流焊工艺烧结后的X射线图像。

这些数据表明,没有观察到较大的“通道空洞”,并且对于如此大的芯片,总的空洞也非常低。事实上,DAP-481-1和DAP-491-1焊膏组装的所有尺寸的芯片,都显示出类似的空洞水平,与芯片尺寸无关。

在-65 ℃和150 ℃温度范围内对组件进行热冲击,并每250个循环取出一次,以检查故障率。结果如图10所示。对于回流焊工艺和批量式炉子工艺,尺寸分别为6×6 mm2和8×8 mm2的芯片,在1 000次循环后,均未观察到任何芯片裂纹或分层失效。采用批量式炉子烧结法生产的10×10 mm2的芯片,经过250次循环后,只有10%(2/20)的芯片失效。批量式炉子加工芯片的低失效率源于较低的加热和冷却速度下较低的应力积累。

结论

在为高温电子封装寻找无铅解决方案的过程中,瞬态液相烧结(TLPS)技术因其高机械、电气和热性能以及低拥有成本而脱颖而出。本文报道了新开发的TLPS焊膏DAP-491-1和DAP-491-1,它们在回流焊和批量式炉子工艺下,在各种芯片和引线框架金属化上均表现出优异的可加工性能、低空洞率、在宽温度范围内的强粘接强度以及较高的有效热传导性。更重要的是,在ΔT高达215 ℃的1 000次热循环中,高粘接强度和高热导率保持稳定。

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