金剛石熱沉與半導(dǎo)體器件連接技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

來(lái)源/作者：代 文 林正得 易 劍

轉(zhuǎn)自：集成技術(shù)jcjs

本文刊載于《集成技術(shù)》2023年第5期

代 文^* 林正得 易 劍

1中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所 中國(guó)科學(xué)院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江省海洋材料與防護(hù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 寧波 315201

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(52102055, 5227020331, 52075527)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFB0406000, 2017YFE0128600)

引用格式：代文, 林正得, 易劍. 金剛石熱沉與半導(dǎo)體器件連接技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) [J]. 集成技術(shù), 2023, 12(5): 27-40.

Dai W, Lin CT, Yi J. Research status and development trend of connection technology of diamond heat sink and semiconductor device [J]. Journal of Integration Technology, 2023, 12(5): 27-40.

摘要

半導(dǎo)體器件的集成化和小型化不可避免地導(dǎo)致散熱問(wèn)題發(fā)生。熱量的持續(xù)累積威脅著電子的性能、穩(wěn)定性和壽命。因此，提高電子器件的散熱能力對(duì)其穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。金剛石作為一種高效的散熱襯底，具有眾多無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到人們關(guān)注。該文綜述了金剛石作為半導(dǎo)體高功率器件熱沉的研究進(jìn)展，簡(jiǎn)要介紹了金剛石與半導(dǎo)體器件的連接方式，總結(jié)了金剛石基半導(dǎo)體器件面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，展望了其未來(lái)發(fā)展方向。

1 引 言

近年來(lái)，隨著電子器件性能的快速發(fā)展，有效清除集成電路芯片(如 CPU 和 GPU)產(chǎn)生的熱量對(duì)保證系統(tǒng)的持續(xù)、穩(wěn)定和平穩(wěn)運(yùn)行越來(lái)越重要[1-3]。為承擔(dān)散熱這一基本任務(wù)，將器件的工作溫度維持在一個(gè)理想的水平，開(kāi)發(fā)高傳熱性能的散熱材料成為目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)[4]。目前，主流的散熱方案主要包括：聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料，如導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱墊和導(dǎo)熱凝膠等[5]；以高導(dǎo)熱金屬(銅、鋁、銀、錫等)為基礎(chǔ)的熱管、鑄件和焊料[6-7]；利用液體工質(zhì)相變運(yùn)輸熱量的均溫板等[8]。目前，電子器件的功率急劇提高，現(xiàn)有的散熱材料無(wú)法滿(mǎn)足高導(dǎo)熱、低膨脹系數(shù)、輕質(zhì)、無(wú)污染等方面的需求。

碳材料(如石墨膜、石墨烯和金剛石等)因其超高的熱導(dǎo)率和較輕的重量，可滿(mǎn)足半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)ι崞男枨?，現(xiàn)已成為半導(dǎo)體器件散熱的首要選擇之一[9]。然而，石墨烯雖然擁有超高的本征熱導(dǎo)率(800～3 500 W·m^－1·K^－1)，但由于其結(jié)構(gòu)為 sp2 軌道雜化組成的呈六角蜂巢狀的二維晶體，因此，其熱導(dǎo)率存在各向異性，優(yōu)異的傳熱性能只表現(xiàn)在面內(nèi)方向，垂直方向的熱導(dǎo)率較低[10-11]。同時(shí)，高純度的石墨烯片尺寸較小，通常為毫米量級(jí)，無(wú)法直接使用。通過(guò)組裝方式制備的石墨烯紙由于內(nèi)部存在大量界面，會(huì)導(dǎo)致面內(nèi)熱導(dǎo)率急劇下降至 700 W·m^－1·K^－1 以下，面外方向降至 50W·m^－1·K^－1 以下[12]。此外，通過(guò)化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)制備的石墨烯膜，不但成本高，而且膜層厚度較薄，強(qiáng)度差，容易破碎[13]。

金剛石的熱導(dǎo)率在常溫下＞2 000 W·m^－1·K^－1，且因其優(yōu)異的介電性能以及較低的熱膨脹系數(shù)等諸多優(yōu)異性能，是目前半導(dǎo)體器件的理想散熱材料[14]。若要使金剛石及其薄膜在半導(dǎo)體散熱領(lǐng)域獲得實(shí)際應(yīng)用，則需解決硅(Si)、碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等半導(dǎo)體器件與金剛石的有效連接問(wèn)題，這是限制金剛石在半導(dǎo)體散熱領(lǐng)域應(yīng)用的最大難點(diǎn)[15]。

本文回顧了金剛石與半導(dǎo)體器件連接技術(shù)的研究歷程，總結(jié)了 Si、SiC 和 GaN 等半導(dǎo)體與金剛石間不同連接方式的特點(diǎn)，以及當(dāng)前存在的主要問(wèn)題。此外，探討了 Si、SiC 和 GaN 等半導(dǎo)體與金剛石間連接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，展望了未來(lái)可能獲得應(yīng)用和規(guī)?；a(chǎn)的技術(shù)路線。

2 金剛石在半導(dǎo)體散熱領(lǐng)域的

應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有 Si、SiC 和 GaN 等，其熱導(dǎo)率較低，通常不超過(guò) 500 W·m^－1·K^－1，而大功率電子器件的功率密度可達(dá) 1 000 W·cm^－2，且不同功能區(qū)域之間功率密度的差異會(huì)導(dǎo)致芯片內(nèi)部的溫度分布不均，某些區(qū)域所形成的局部熱點(diǎn)甚至是芯片平均發(fā)熱功率密度的 5～10 倍。因此，需傳熱能力較高的散熱材料將積累的熱量有效導(dǎo)出，而金剛石是目前自然界具有最高熱導(dǎo)率的熱沉材料，有望達(dá)到理想的散熱效果。如表 1 所示，金剛石較 Si、SiC 和 GaN 等半導(dǎo)體材料具有諸多優(yōu)勢(shì)，例如：金剛石的熱導(dǎo)率超過(guò) Si 材料的 10 倍，此外，與 GaN 相比，金剛石的載流子遷移率和擊穿電場(chǎng)更高。因此，為提高半導(dǎo)體器件的散熱能力，將金剛石片或膜作為熱沉，已被廣泛認(rèn)為是未來(lái)的散熱方案之一[16-19]。無(wú)論是單晶金剛石，還是多晶金剛石，其熱導(dǎo)率均遠(yuǎn)大于其他襯底材料，可作為替代其他散熱襯底材料的更優(yōu)方案[20-21]。

2010 年，美國(guó)率先開(kāi)始了對(duì)半導(dǎo)體高功率器件傳熱散熱的專(zhuān)題性研究，其研究目標(biāo)是將半導(dǎo)體高功率器件工作時(shí)小范圍(100 μm)產(chǎn)生的熱量即時(shí)有效地導(dǎo)出，降低器件工作效率的波動(dòng)，從而達(dá)到更高效率的穩(wěn)定輸出。這項(xiàng)研究的一個(gè)重要課題是，利用金剛石超高的熱導(dǎo)率以及較低的熱膨脹系數(shù)特性，將其作為 GaN 高電子遷移率晶體管(GaN high electron mobility transistor，GaN-HEMT)的散熱基底，研制出輸出功率更大且更穩(wěn)定的金剛石基 GaN 功率器件[22]。如圖 1 所示，通過(guò) CVD 等手段，使 GaN 通道與金剛石盡可能緊密地貼合，以實(shí)現(xiàn)兩者較低的接觸熱阻，使器件工作時(shí)快速散熱。2017 年，日本富士通公司在 IEEE SISC2017 會(huì)議上報(bào)道了金剛石連接 SiC 基半導(dǎo)體高功率器件實(shí)現(xiàn)高效散熱的成果[23]。該器件的金剛石層與 SiC 的界面熱阻低至 6.7×10^－8 m²·K·W^－1。此外，與沒(méi)有金剛石的器件相比，該器件在 10% 脈沖條件下的輸出功率增加了約 30%。2019 年，粒子輸運(yùn)與富集技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室將 CVD 金剛石膜作為半導(dǎo)體激光器的封裝熱沉，使得器件內(nèi)部熱阻降低 28.4%，表現(xiàn)出較優(yōu)異的可靠性，從而使器件的電光轉(zhuǎn)換效率最大值達(dá)到 60.6%[24]。Zhao 等[25]利用銀燒結(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大尺寸、高表面粗糙度金剛石和硅基芯片的低熱阻、高強(qiáng)度異質(zhì)連接。該項(xiàng)研究還利用壓力輔助 Ag 燒結(jié)方法，制備了一個(gè)大面積(27 mm×28 mm)的 Si 芯片/金剛石散熱器系統(tǒng)。此外，在 10 MPa 的鍵合壓力下，該項(xiàng)研究獲得了較低的接觸熱阻(0.428 mm²·K·W^－1)、較高的剪切強(qiáng)度(＞50 MPa)。

3 金剛石與半導(dǎo)體的連接現(xiàn)狀

若想實(shí)現(xiàn)金剛石在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用，首先要解決金剛石與半導(dǎo)體的連接問(wèn)題。金剛石與半導(dǎo)體器件的連接方式可分為直接連接和間接連接，如圖 2 所示。直接連接即金剛石和半導(dǎo)體的界面直接相連，間接連接即金剛石與半導(dǎo)體器件之間通過(guò)中間層相連。

3.1

金剛石與半導(dǎo)體間的直接連接

金剛石與半導(dǎo)體的直接連接主要通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)：(1)金剛石與半導(dǎo)體間通過(guò)沉積工藝實(shí)現(xiàn)直接連接；(2)金剛石與半導(dǎo)體間通過(guò)低溫鍵合實(shí)現(xiàn)直接連接。金剛石具有超高熱導(dǎo)率，若能與半導(dǎo)體直接連接，則可充分發(fā)揮金剛石熱導(dǎo)率高的特性，因此，金剛石與半導(dǎo)體間的直連工藝研究一直是本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

3.1.1

金剛石與半導(dǎo)體間通過(guò)沉積工藝直連

金剛石與半導(dǎo)體間通過(guò)沉積工藝直連有兩種形式：(1)在金剛石襯底上外延沉積 Si、SiC 和 GaN 等半導(dǎo)體；(2)在 Si、SiC 和 GaN 等半導(dǎo)體上外延沉積金剛石膜。

在金剛石上生長(zhǎng)半導(dǎo)體器件：制備金剛石和半導(dǎo)體直接連接的器件，一種理想且直觀的方式是在金剛石襯底上直接外延生長(zhǎng)一層半導(dǎo)體，然后在此外延層上利用刻蝕等手段制備電子器件。然而，GaN 和 AlN 等氮化物半導(dǎo)體為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，與金剛石的結(jié)構(gòu)存在較大的差異，晶格不匹配較嚴(yán)重，經(jīng)常導(dǎo)致外延層材料質(zhì)量不佳，并導(dǎo)致電學(xué)性能差，因此，在金剛石上直接生長(zhǎng) GaN 較難[26]。為減少襯底和半導(dǎo)體層的晶格失配問(wèn)題，Hirama 等[27-28]通過(guò)分子束外延(molecular beam epitaxy，MBE)、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀等方式，在單晶金剛石(111)襯底上生長(zhǎng)高遷移率的 AlGaN HEMT 異質(zhì)結(jié)構(gòu)。如圖 3 所示，與傳統(tǒng)的 SiC 襯底相比，金剛石基 AlGaN HEMT 器件在功率密度為 3.2 W·mm^－2 時(shí)，溫度降低了 10 ℃。此外，Kuzmik 等[29]研究了單晶金剛石上 MBE 生長(zhǎng) GaN/AlGaN/GaN 結(jié)構(gòu)的自熱效應(yīng)。該項(xiàng)研究中所生長(zhǎng)的金剛石熱導(dǎo)率為 2 200 W·m^－1·K^－1，對(duì)外延結(jié)構(gòu)的邊界熱阻＜1×10^－8 m²·K·W^－1。

除晶格失配外，金剛石和 GaN 的熱膨脹系數(shù)相差較大，導(dǎo)致 GaN 外延層生長(zhǎng)后，樣品冷卻時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的拉伸應(yīng)變，這將導(dǎo)致外延層開(kāi)裂。該問(wèn)題在硅外延生長(zhǎng)上也存在，但由于金剛石的熱膨脹系數(shù)僅為硅的 1/2，因此，該情況在金剛石上更嚴(yán)重。此外，外延生長(zhǎng)溫度通常需要超過(guò) 1 000 ℃ 的高溫，不但會(huì)使 Si、SiC 和 GaN 等外延層容易開(kāi)裂，而且會(huì)使金剛石熱沉基板表面石墨化，進(jìn)一步使金剛石襯底和半導(dǎo)體層的結(jié)合力變差，從而容易直接脫落?？偠灾?，在金剛石襯底上直接外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體器件的方式要進(jìn)入應(yīng)用階段尚需較長(zhǎng)時(shí)間。

在半導(dǎo)體器件上生長(zhǎng)金剛石：與上述方法相反，本方法需在制備好的半導(dǎo)體器件上直接沉積一層金剛石膜，由此實(shí)現(xiàn)金剛石和半導(dǎo)體器件的直接連接[30-32]，如圖 4 所示。2006 年，Jessen 等[33]首次據(jù)此方案在 GaN 背面直接外延生長(zhǎng) 25 μm 金剛石層，制備出高效散熱的 AlGaN/GaN HEMT 器件。

此外，在不改變?cè)幸r底的基礎(chǔ)上，直接在 GaN HEMT 器件正面沉積金剛石鈍化層，可提高器件向上散熱的能力，如圖 5 所示。Alomari 等[34]在 750～800 ℃ 的生長(zhǎng)溫度范圍內(nèi)，在 In_0.17Al_0.83N/GaN HEMT 上系統(tǒng)地生長(zhǎng)了一層厚度為 500 nm 的金剛石薄膜，并測(cè)得器件的最大截止頻率為 5 GHz。此外，雖進(jìn)行了金剛石的高溫生長(zhǎng)過(guò)程，但未觀察到 HEMT 直流特性的退化或變化，證明二者的相容性良好。

然而，上述方法不能解決金剛石襯底和半導(dǎo)體器件的熱膨脹適配問(wèn)題，仍會(huì)導(dǎo)致外延層開(kāi)裂。此外，在 Si、SiC 和 GaN 等半導(dǎo)體上，利用 CVD 工藝沉積金剛石散熱層時(shí)，一般需要 700 ℃ 以上的高溫以及高濃度的氫等離子體，而高溫下，氫等離子體會(huì)嚴(yán)重刻蝕 Si、SiC 和 GaN 等半導(dǎo)體，導(dǎo)致其電學(xué)等性能?chē)?yán)重下降[35]。因此，在 Si、SiC 和 GaN 等半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)金剛石的方法難度較大。

3.1.2

金剛石與半導(dǎo)體間的低溫鍵合直連

金剛石和半導(dǎo)體器件的另一種直接連接方式是先利用外延生長(zhǎng)工藝在襯底上沉積半導(dǎo)體材料，然后去除襯底，并與金剛石襯底進(jìn)行低溫鍵合[36]。一方面，該方案避免了直接外延生長(zhǎng)需要的高溫，降低了熱膨脹失配導(dǎo)致的高密度位錯(cuò)；另一方面，該方法不需要沉積金剛石的氫等離子體環(huán)境，避免了半導(dǎo)體器件本征性能的降低。此外，無(wú)論是聚晶金剛石，還是單晶金剛石，都可作為低溫鍵合的熱沉基板，這大大降低了制備金剛石襯底的難度。而且，半導(dǎo)體外延層和金剛石熱沉基板因可在鍵合前獨(dú)立制備，故可精簡(jiǎn)金剛石基半導(dǎo)體器件工藝。

目前，金剛石基半導(dǎo)體器件工藝可在 300 ℃ 以下，甚至室溫，進(jìn)行器件的直接鍵合，大幅提高了半導(dǎo)體器件的散熱能力。Chao 等于 2013 年首次報(bào)道了低溫鍵合工藝，該工藝在 150 ℃ 以下實(shí)現(xiàn)了鍵合，最大限度地減少了不同材料之間熱膨脹系數(shù)的不匹配[37-39]。如圖 6 所示，在該方法中，GaN 緩沖層厚度減小，成核層被消除，SiC 襯底通過(guò)低溫鍵合技術(shù)被高導(dǎo)熱性的金剛石代替。通過(guò)這種設(shè)計(jì)使 GaN 器件的熱源在金剛石襯底的 1 μm 內(nèi)，顯著降低了器件熱阻。該研究以一層 SiN 作為結(jié)合界面層，其接觸界面的熱阻低至 2.5×10^－9 m²·K·W^－1 [40]。此外，南京電子器件研究所也開(kāi)展了 GaN 外延層到金剛石襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)的研究，對(duì)永久鍵合的溫度、壓力、時(shí)間等工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，解決了鍵合層厚度變薄導(dǎo)致的鍵合質(zhì)量差及轉(zhuǎn)移后外延層脫落的問(wèn)題，成功實(shí)現(xiàn)了 3 英寸(1 英寸＝25.4 mm)GaN HEMT 的外延生長(zhǎng)，以及將該器件完整轉(zhuǎn)移至多晶金剛石襯底。通過(guò)連續(xù)波直流測(cè)試發(fā)現(xiàn)，GaN HEMT 轉(zhuǎn)移到金剛石襯底上后，器件直流性能未發(fā)生明顯退化，一定程度上說(shuō)明了轉(zhuǎn)移過(guò)程中的應(yīng)力控制及鍵合界面熱阻控制取得了成效[41]。

低溫鍵合工藝雖然規(guī)避了外延生長(zhǎng)的難點(diǎn)，但是要求金剛石熱沉基板和半導(dǎo)體外延層表面平整、翹曲度小、表面粗糙度低(＜1 nm)，這對(duì)目前的加工工藝來(lái)說(shuō)，挑戰(zhàn)較大。此外，金剛石在和 Si、SiC 和 GaN 等半導(dǎo)體直接鍵合時(shí)，需施加較大的壓力，但壓力大小和保壓時(shí)間等難以有效控制，導(dǎo)致試樣在鍵合過(guò)程中易破碎，良品率較低，尤其是大尺寸的試樣，更是難以實(shí)現(xiàn)。目前，金剛石和 Si、SiC 及 GaN 等半導(dǎo)體間的直接鍵合工藝還在實(shí)驗(yàn)室探索階段，僅在毫米尺度的小尺寸芯片上獲得過(guò)成功，還無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用。

綜合來(lái)看，上述兩種 Si、SiC 和 GaN 等半導(dǎo)體和金剛石間的直接連接技術(shù)存在一系列問(wèn)題：無(wú)法避免外延生長(zhǎng)工藝的高溫導(dǎo)致的半導(dǎo)體器件性能和穩(wěn)定性的破壞；金剛石襯底和半導(dǎo)體器件的熱膨脹失配以及高壓大幅度降低了器件的成品率。要想實(shí)現(xiàn) Si、SiC 和 GaN 等半導(dǎo)體與金剛石的直接連接，還有較長(zhǎng)的路要走，一些關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)待解決。

3.2

金剛石與半導(dǎo)體間的間接連接

Si、SiC 和 GaN 等半導(dǎo)體與金剛石間的間接連接主要通過(guò)中間層進(jìn)行連接，常見(jiàn)的中間層主要是 Sn、Ag 等金屬層。雖然金剛石散熱片最理想的應(yīng)用方式是與芯片直連，但在現(xiàn)有的直連工藝下，金剛石與芯片間均或多或少存在一些中間界面層。例如：通過(guò)沉積工藝直連中的 SiNx 中間層，晶片直接鍵合中的 Si 或 SiC 中間層等。如表 2 所示，這些中間層的熱導(dǎo)率較低，降低了金剛石的散熱效果。與之相比，一些金屬的熱導(dǎo)率較高。利用金屬進(jìn)行芯片與基板間的連接，進(jìn)而進(jìn)行電子封裝，在半導(dǎo)體行業(yè)是一種較成熟的工藝。

軟釬焊：在電子封裝中，軟釬焊是芯片與熱沉基板連接的常用工藝。目前，根據(jù)焊料是否含鉛元素，可將焊料分為錫鉛焊料和無(wú)鉛焊料[42-43]。出于環(huán)保考慮，目前的錫鉛焊料正被逐漸淘汰。無(wú)鉛焊料以錫為基體，添加 Ag、Cu、Zn、In、Bi 和 Au 等金屬元素。目前，錫基無(wú)鉛合金的熔點(diǎn)一般低于 230 ℃，對(duì)于回流溫度大于 260 ℃ 的芯片封裝工藝而言，釬焊處易開(kāi)裂和液態(tài)金屬外流產(chǎn)生污染，導(dǎo)致器件損壞。而常見(jiàn)的 Sn-Au 二元共晶合金的熔點(diǎn)約為 280 ℃，對(duì)許多芯片而言，焊接溫度過(guò)高。因此，目前常用的軟釬焊焊料對(duì)于一些要求焊接溫度低、回流溫度高的電子封裝來(lái)說(shuō)，均不合適。

瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊：在被連接基體中間，使用一種低熔點(diǎn)的中間層，依靠其擴(kuò)散，形成高熔點(diǎn)的金屬間化合物，并實(shí)現(xiàn)鍵合[44-46]。與傳統(tǒng)連接技術(shù)相比，瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊由于能夠產(chǎn)生更優(yōu)異的黏結(jié)特性，因而受到廣泛關(guān)注[47]。然而，此工藝的界面處原子擴(kuò)散速率較慢，不利于實(shí)際應(yīng)用。目前，利用納米技術(shù)降低焊料的晶粒尺寸，可降低晶粒的結(jié)合時(shí)間，減少擴(kuò)散層的厚度，起到快速連接的作用。當(dāng) Au 的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為 80%、Sn 的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為 20% 時(shí)(以下簡(jiǎn)稱(chēng) “Au80Sn20”)，金錫共晶合金的熔點(diǎn)為 280 ℃。因此，對(duì)于常見(jiàn)的金錫焊接而言，現(xiàn)有的焊接工藝均在 300 ℃ 下獲得共晶合金 Au80Sn20。對(duì)于 SiC 和 GaN 等高溫半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，300 ℃ 的焊接溫度可接受，而對(duì)于超高集成度的硅半導(dǎo)體器件而言，則難以接受，必須降低金錫焊的焊接溫度。利用納米技術(shù)和真空燒結(jié)工藝，瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)共晶合金 Au80Sn20 的低溫焊接，即納米 Au 和納米 Sn 在溫度低于 240 ℃ 時(shí)發(fā)生反應(yīng)，生成共晶合金 Au80Sn20，實(shí)現(xiàn)芯片的有效連接。因此，改良后的瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊技術(shù)不僅有金錫焊的優(yōu)點(diǎn)，還降低了傳統(tǒng)金錫焊的熔點(diǎn)和反應(yīng)時(shí)間，有望在未來(lái)的電子封裝中獲得重要應(yīng)用[48-49]。

納米銀低溫?zé)Y(jié)：這是一種實(shí)現(xiàn)對(duì)微米及以下尺度銀顆粒在 300 ℃ 以下進(jìn)行燒結(jié)的技術(shù)。根據(jù)經(jīng)典的燒結(jié)雙球模型理論，在燒結(jié)的初始階段，兩個(gè)接觸的球體顆粒會(huì)產(chǎn)生燒結(jié)頸，并通過(guò)短頸部連接。表面張力使凹、凸表面處的蒸氣壓 P 分別低于和高于平面表面處的蒸氣壓 P₀，并可用開(kāi)爾文公式表達(dá)： 。因此，物質(zhì)會(huì)從蒸氣壓高的顆粒凸形表面蒸發(fā)，向凹形頸部遷移和凝聚，從而使頸部逐漸被填充，實(shí)現(xiàn)顆粒間的燒結(jié)。且顆粒尺寸越小，由曲率引起的燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力越大。納米銀顆粒擁有極高的比表面積和巨大的表面能，然而，表面能越高，粒子越不穩(wěn)定。因此，粒子間發(fā)生接觸時(shí)，原子通過(guò)擴(kuò)散消除表面，以減少總自由能，如圖 7 所示[50]。故納米銀可以在較低的溫度下，以原子擴(kuò)散的方式，與熱源和散熱基板的表面形成較強(qiáng)的結(jié)合力，實(shí)現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)，高溫使用。此外，納米銀晶粒間易相互結(jié)合，使晶粒長(zhǎng)大，晶界減少，形成良好的導(dǎo)熱通路。近年來(lái)，隨著大功率芯片的發(fā)展，納米銀在大功率 SiC 和 GaN 芯片連接方面獲得了較大應(yīng)用。

納米銀低溫?zé)Y(jié)技術(shù)起源于 20 世紀(jì) 80 年代末期，Schwarzbauer[51]利用商業(yè)燒結(jié)銀膏將電子元器件與散熱襯底焊接在一起，此外，還通過(guò)施加壓力的方式來(lái)降低銀膏的燒結(jié)溫度。G?bl 等[52]、Amro 等[53]的研究表明，當(dāng)施加 40 MPa 的壓力時(shí)，焊接溫度可降至 250 ℃，致密度可達(dá) 80%，銀膏得到良好的熱、電性能。然而，隨著銀顆粒的尺寸不斷減小，顆粒間的團(tuán)聚越來(lái)越嚴(yán)重。此外，銀膏在燒結(jié)過(guò)程中可能會(huì)開(kāi)裂。因此，除銀納米粒子外，銀膏通常會(huì)添加分散劑、黏結(jié)劑和稀釋劑等 3 種有機(jī)組分。分散劑可減少銀納米粒子的團(tuán)聚；黏結(jié)劑可在一定程度上提高銀納米顆粒的結(jié)合力；稀釋劑用于調(diào)節(jié)銀膏流動(dòng)性，適應(yīng)不同的工況需求。有機(jī)溶劑雖有助于燒結(jié)，但在燒結(jié)中，完全排出較難，易產(chǎn)生孔洞(圖 8)[54]，因此，常需施加壓力，減少燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生的孔隙，并為燒結(jié)提供額外的驅(qū)動(dòng)力。然而，半導(dǎo)體功率材料通常無(wú)法承受較高的應(yīng)力，否則會(huì)使其出現(xiàn)開(kāi)裂等情況，降低器件的成品率。實(shí)際上，目前的納米銀燒結(jié)方案因其高壓需求，僅適用于尺寸小于 4 mm×4 mm 的燒結(jié)表面[55]。

為推動(dòng)納米銀在大面積芯片封裝中的應(yīng)用，研究者進(jìn)行了大面積芯片的納米銀連接工藝研究。李元[56]對(duì)比了無(wú)壓燒結(jié)和加壓燒結(jié) 10 mm×10 mm 硅試樣的剪切強(qiáng)度，結(jié)果表明，1.5 MPa 的壓力可使接頭強(qiáng)度從 18 MPa 升至 35 MPa。但燒結(jié)工藝較苛刻，為 265 ℃ 保溫 30 min，這對(duì)于大多芯片連接來(lái)說(shuō)，難以接受。楊雪[57]研究了不同壓力和溫度對(duì)燒結(jié)的影響，發(fā)現(xiàn)溫度和壓力的增加有助于接頭強(qiáng)度的提高，但對(duì)于部分芯片連接來(lái)說(shuō)，250 ℃ 和 10 MPa 以上的壓力工藝參數(shù)較苛刻。趙柯臣等[58]用納米銀連接了 10 mm×10 mm 的多晶金剛石，通過(guò)改變燒結(jié)工藝，可較好地排出有機(jī)物，但若想獲得較致密化的燒結(jié)界面，則仍需加載大于 5 MPa 的壓力。Chen 等[59]利用自制的納米銀焊接了 15 mm×15 mm 的硅芯片，發(fā)現(xiàn)其剪切強(qiáng)度高達(dá) 25 MPa，但焊接層的孔洞較大，高達(dá)幾微米，且整個(gè)工藝較苛刻：250 ℃ 燒結(jié) 1 h，并需要研磨拋光。Hirose 等[60]利用還原反應(yīng)制備了納米銀，實(shí)現(xiàn)了金屬間的高強(qiáng)連接，試樣的抗拉強(qiáng)度可達(dá) 60 MPa，燒結(jié)溫度為 250 ℃，壓力為 5 MPa。

為提高銀膏的燒結(jié)性能，研究者在納米銀膏的配方組成和制作過(guò)程上進(jìn)行了較多改進(jìn)。常浩[61]利用超聲輔助和高速攪拌等手段，制備了銀的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為 80%～90% 的納米銀膏，但較好的燒結(jié)工藝參數(shù)為 250 ℃、加壓 5 MPa，并未實(shí)現(xiàn)更低的溫度和無(wú)壓燒結(jié)。熱重分析實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)溫度大于 250 ℃ 時(shí)，試樣有失重，說(shuō)明接頭處有有機(jī)物分解，若想獲得好的結(jié)合強(qiáng)度，則銀膏的燒結(jié)溫度應(yīng)大于 250 ℃。

一般來(lái)說(shuō)，大尺寸(＞5 μm)銀顆粒或銀片燒結(jié)出來(lái)的銀焊層致密度低，且所需的壓力通常大于 15 MPa，極易損傷器件；中等尺寸(1～5 μm)的銀顆粒焊膏所需的壓力較小(5～15 MPa)，但依然容易損傷器件；而小尺寸的銀膏顆粒尺寸低至幾十納米，燒結(jié)后，銀層致密度高，對(duì)器件的損傷小[62-69]。目前，銀燒結(jié)材料的顆粒尺度正逐漸由微米尺度向納米或微-納米混合尺度方向發(fā)展。K?hler 等[70]用微-納米混合銀膏連接硅芯片和陶瓷基板，結(jié)果表明，與納米銀膏和微米銀膏相比，微-納米混合銀膏的孔隙率較低，可在 230 ℃ 實(shí)現(xiàn)較好的連接。Yu 等[71]研究了不同尺寸的納米 Ag 顆粒的加壓燒結(jié)工藝，結(jié)果表明，尺寸較大的 Ag 顆粒在低溫下難以實(shí)現(xiàn)燒結(jié)，且燒結(jié)后熱阻較大，只有燒結(jié)溫度≥250 ℃ 時(shí)，納米銀才有較好的燒結(jié)界面，微觀形貌如圖 9 所示。

從目前的研究來(lái)看，大功率 SiC 和 GaN 等芯片的封裝溫度和使用溫度均較高，通常大于 250 ℃，因此，納米銀膏可成功應(yīng)用于 SiC 和 GaN 等芯片連接。但硅芯片的封裝溫度和使用溫度較低，常規(guī)的納米銀需加壓燒結(jié)，且燒結(jié)溫度＞250 ℃，無(wú)法在硅芯片的連接上使用。針對(duì)硅芯片的大面積低溫連接，需開(kāi)發(fā)低溫低壓，甚至低溫?zé)o壓的大面積納米銀燒結(jié)工藝。而納米銀的大面積低溫?zé)o壓和低溫低壓燒結(jié)技術(shù)是納米銀燒結(jié)工藝中的一大挑戰(zhàn)，也是其研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，實(shí)現(xiàn)低溫低壓，甚至低溫?zé)o壓燒結(jié)是納米銀在大面積硅芯片領(lǐng)域的應(yīng)用關(guān)鍵，也是未來(lái)的研究方向[72]。

4 總結(jié)與展望

目前，金剛石熱沉與半導(dǎo)體器件連接技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵是，如何實(shí)現(xiàn)高可靠性、高效率、低成本的大面積金剛石與半導(dǎo)體芯片的連接。尤其是在高功率、高溫、高頻、高壓等極端環(huán)境下，如何保證金剛石與半導(dǎo)體芯片連接的穩(wěn)定性和可靠性是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。當(dāng)前，就 Si、SiC 和 GaN 等半導(dǎo)體芯片與金剛石的連接而言，無(wú)論是直接連接，還是間接連接，均存在不同的問(wèn)題。在直接連接工藝中，半導(dǎo)體芯片與金剛石的低溫直接鍵合工藝前景較好，但該工藝對(duì)金剛石的表面研磨拋光工藝和加壓鍵合設(shè)備要求高，就目前的工藝和設(shè)備水平，難以做到高良品率，尤其是對(duì) 10 mm×10 mm 以上的大面積芯片來(lái)說(shuō)，目前的直接鍵合工藝還不成熟。

在間接連接工藝中，利用瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊和納米銀低溫?zé)Y(jié)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體芯片與金剛石的間接連接，是現(xiàn)實(shí)可行且能工業(yè)化的連接工藝，且和現(xiàn)有的半導(dǎo)體封裝工藝兼容，是目前最有希望能直接規(guī)?；瘧?yīng)用的工藝。然而，現(xiàn)代半導(dǎo)體芯片，尤其是硅芯片的集成度越來(lái)越高，封裝溫度越來(lái)越低，使現(xiàn)有的瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊和納米銀低溫?zé)Y(jié)必須向更低溫度和無(wú)壓燒結(jié)發(fā)展。

為突破這些技術(shù)瓶頸，可考慮從以下幾個(gè)方面入手：(1)優(yōu)化金剛石表面研磨拋光工藝，探索金剛石熱沉材料的新型表面處理技術(shù)，提高直接鍵合工藝的良品率和可靠性；(2)開(kāi)發(fā)適用于大面積芯片的加壓鍵合設(shè)備，通過(guò)提高鍵合設(shè)備的加壓能力、控制鍵合溫度和壓力等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高可靠性、高效率的直接鍵合；(3)優(yōu)化間接連接工藝，探索新型間接連接工藝材料，研究新型的瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊和納米銀低溫?zé)Y(jié)技術(shù)，提高連接的穩(wěn)定性和可靠性；(4)推動(dòng)半導(dǎo)體芯片制造技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)具有更高溫度穩(wěn)定性和可靠性的半導(dǎo)體芯片，以滿(mǎn)足金剛石熱沉應(yīng)用的需求。納米技術(shù)和超高真空燒結(jié)等優(yōu)化工藝將最有可能實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體芯片與金剛石的大面積低溫低壓或低溫?zé)o壓連接，從而大幅提高這些半導(dǎo)體芯片的散熱能力，為新一代大功率高集成的半導(dǎo)體芯片封裝奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

從國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展角度來(lái)看，金剛石熱沉因其一些獨(dú)特的物理與化學(xué)性質(zhì)(高熱導(dǎo)率、高耐磨損性、高化學(xué)穩(wěn)定性等)，在高功率半導(dǎo)體器件、光電子器件、能源、航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。加快金剛石熱沉技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化將有助于提高國(guó)家的前沿技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力和產(chǎn)業(yè)水平，以及推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新發(fā)展。

//參考文獻(xiàn) 略

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