半导体封装Cu-Cu互连接头烧结性能研究

吴松 张昱 曹萍 杨冠南 黄光汉 崔成强

（广东工业大学省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室）

摘要：

使用不添加任何助焊剂的铜膏，获得了高烧结性能的Cu-Cu 互连接头。使用扫描电子显微镜、X 射线衍射仪和热重分析仪对粒径分别为（20±10） nm、（80±20） nm 和（100±20） nm 的纳米铜颗粒进行分析表征。选择粒径为（80±20） nm 的纳米铜颗粒和松油醇混合配成纳米铜膏，用于互连接头的烧结性能研究。探究了不同的烧结温度、保温时间、升温速率和烧结压力对互连接头的剪切强度和失效面微观形貌的影响，得出了最佳的工艺参数。在升温速率为0.1 ℃/s、保温时间为30 min、烧结温度为260℃和无压条件下烧结，互连接头的剪切强度达到了5.0 MPa。在同样的升温速率和保温时间、烧结温度为300 ℃、压力为5 MPa 的条件下烧结，互连接头的剪切强度达到了33.3 MPa。Cu-Cu互连接头能够满足功率半导体器件的互连应用要求。

1 引言

以Si 和GaAs 基为代表的传统功率半导体器件，广泛应用于计算机、通信、消费电子、汽车电子等行业，然而其在功率处理、最高频率和工作温度方面正接近物理极限[1-2]，不能适应行业向高频、高温、高功率和耐恶劣环境的发展方向的要求[3-4]，例如Si基器件在200 ℃以上工作，会在自加热下导致内部温度的升高[5]。以SiC和GaN基为代表的第三代功率半导体器件相对于传统功率半导体器件，具有更大的禁带宽度和更高的击穿电压，能够在恶劣环境下工作，因而成为功率半导体器件的关键性技术。严苛的应用环境对封装互连材料提出了更高的要求，比如需要其具有优越的热传导性能、耐高温、高机械性能以及高可靠性[6]。

应用于第三代功率半导体器件的封装互连材料主要有纳米银膏和纳米铜膏。由于尺寸效应，纳米材料相较块体材料具有更低的熔点、更大的比表面积，在互连过程中表现得更加活跃。这表明纳米尺度的互连有望在低温下进行[7-8]。大量研究结果表明，纳米铜颗粒和纳米银颗粒能够在低温下实现烧结，烧结成型后具有与块体金属相近的熔点，且满足“低温成型，高温服役”的需求[9-10]。铜材料具有和银材料相近的导电率、导热率，同时具有更低的成本，且不易发生电迁移现象，受到了研究者的青睐。低温烧结技术利用了纳米铜颗粒能够低温成型的特性，烧结后纳米铜互连层形成网状互连结构，纳米铜和基板之间通过金属扩散形成有效互连。烧结工艺的参数选择对互连接头的烧结性能具有重要影响[11]，现有工艺通常在铜膏中添加助焊剂，并在高压、高温下辅助烧结，以提高互连接头的烧结性能。LI等人[12]将粒径为80~120 nm的纳米铜颗粒与N－甲基－2－吡咯烷酮混合，配成纳米铜颗粒质量分数为70%的铜膏，在氢/氩混合气氛、烧结温度为350℃下烧结，随着烧结压力从20MPa上升到40MPa，互连接头的剪切强度从22.96 MPa 提高到28.43 MPa。然而较高的烧结温度和压力必然会极大地降低封装器件的良率。ZUO等人[13]将平均直径为50 nm的纳米铜颗粒在主要成分为磷酸、硝酸锌和正磷酸二氢锌的烧结促进剂中处理30 min 后，干燥成粉末，最后与有机溶剂混合制备成纳米铜膏，在烧结压力为2 MPa、烧结温度分别为175℃和300℃下烧结，得到了剪切强度分别为1.1 MPa 和9.4 MPa 的互连接头。烧结促进剂中的无机酸和有机卤素等成分对温度敏感，会对封装基板进行腐蚀，且烧结后会有大量残留，这会极大地影响互连接头的烧结性能。为了满足易碎和热敏芯片的严格封装要求，需要进一步降低烧结温度和压力，同时减少铜膏中的杂质。因此，迫切需要在低温（不高于300 ℃）、低压（不高于5 MPa）和不添加烧结促进剂的情况下，探究工艺参数对互连接头烧结性能的影响，以提高互连接头的烧结性能。

为了应对这些挑战，本研究在低压、低温和不添加任何烧结促进剂的情况下，探究保温时间、升温速率和烧结压力对互连接头的剪切强度和失效面微观形貌的影响，并得出最佳的工艺参数，在氢/氩混合气氛的保护下，实现高强度的Cu-Cu互连接头。

2 试验材料与方法

2.1 纳米铜膏的制备和互连工艺

首先把粒径为（20±10）nm、（80±20）nm 和（100±20）nm 的商用麦克林纳米铜粉在稀硫酸水溶液（浓度为8%）中进行超声洗涤，然后放入真空干燥箱中干燥，最后分别把3种铜粉和松油醇按照8:2 的重量比均匀混合，配成纳米铜膏。为了更好地模拟电子工业中实际的Cu-Cu 互连接头，本文设计了一种模拟芯片（表面镀Ti/Cu 铜板）/ 纳米铜膏/ 基板（表面镀Ti/Cu铜板）的三明治结构。模拟芯片的尺寸为4 mm×4 mm×0.8 mm，基板尺寸为10 mm×10 mm×0.8 mm。本研究中Cu-Cu互连工艺过程如下：第一步，对模拟芯片和裸铜基板进行抛光处理，然后在其表面镀厚度为2 μm 的Ti/Cu 层；第二步，通过丝网印刷的方式在裸铜基板上印刷厚度为120 μm 的铜膏，接着把模拟芯片覆盖在铜膏上，形成三明治结构的互连样品；最后，把样品置于热压炉，在氢氩混合气氛（氢气的体积分数为5%，氩气的体积分数为95%）中，选择在一定的升温速率、烧结压力以及温度下进行互连。

2.2 测试与表征方法

使用场发射扫描电子显微镜（型号为SU8220，日本Hitachi 公司）观察样品颗粒的粒径和形貌，采用X射线衍射仪（型号为D8 ADVANCE，德国Bruker 公司）测定样品的物相和结构，采用高温同步热分析仪（型号为TGA/DSC3+，瑞士Mettler Toledo 公司）在氮气气氛下检测样品在25~600 ℃温度范围内的热行为，采用IC 封装焊接强度测试仪（型号为SERIES-4000，英国Dage 公司）测试Cu-Cu 互连接头的剪切强度。对8个样品进行测试，取其平均值为剪切强度。

3 纳米铜颗粒表征

图1 是3 种粒径纳米铜颗粒的扫描电子显微镜（SEM）照片，可见3 种纳米铜颗粒在不同程度上都存在团聚现象，分散性较差，其中粒径为（20±10）nm 的纳米铜颗粒因其粒径最小，表面能最大，团聚现象最为严重。粒径为（80±20）nm和（100±20）nm的纳米铜颗粒因为其粒径相对较大，团聚现象较为轻微。

为了测试3种粒径纳米铜颗粒的氧化情况和不同温度下的热行为，对其进行了X射线衍射（XRD）测试和热重（TG）测试，图2 是纳米铜颗粒的XRD 和TG图谱。

3 种纳米铜颗粒在2θ=43.3°、2θ=50.4°和2θ=74.1°处都有明显的衍射峰，分别对应着面心立方结构的单质铜Cu（111）、Cu（200）和Cu（220）晶面。其中粒径为（20±10）nm 和（80±20）nm 的纳米铜颗粒，可在36.5°处观察到轻微的衍射峰，该衍射峰对应着Cu2O（111）晶面，这说明铜颗粒发生了轻微的氧化；而粒径为（100±20）nm 的纳米铜颗粒除了在36.5°处有明显的代表Cu2O（111）晶面的衍射峰存在，在42.5°和61.6°处还有代表Cu2O（200）和Cu2O（220）面的衍射峰存在，这说明粒径为（100±20）nm 的纳米铜颗粒相较于粒径（20±10）nm 和（80±20）nm 的纳米铜颗粒，被氧化程度更深。铜颗粒表面的氧化层会极大地阻碍烧结互连过程中铜颗粒、基板和芯片之间的互连，使得互连条件更加苛刻。纳米铜颗粒在25~600℃的TG图谱如图2（b）所示。3种纳米铜颗粒在整个升温过程中都伴随着重量的损失，低于150℃失重的主要原因为铜粉中残留溶剂的挥发，高于150℃失重的原因可能是残留的小分子有机物分解。粒径为（20±10）nm的纳米铜颗粒的重量总损失为0.48%，高于150 ℃的重量损失（0.16%）；粒径为（80±20）nm 的纳米铜颗粒的重量总损失为0.85%，高于150 ℃的重量损失（0.43%）；粒径为（100±20）nm 的纳米铜颗粒的总重量损失为0.93%，高于150℃的重量损失（0.51%）。3种纳米铜颗粒的总重量损失都小于1%，这说明铜颗粒的纯度非常高。通过对比发现，粒径为（80±20）nm 的纳米铜颗粒发生团聚的情况较少，仅有轻微氧化，且高温下质量损失较少。因此，选择粒径为（80±20）nm 的纳米铜颗粒配成铜膏，进行互连工艺的研究。

4 互连接头的烧结性能研究

在不同烧结工艺参数下对纳米铜膏进行互连，进而探究保温时间、升温速率和烧结压力对Cu-Cu 互连接头烧结性能和微观组织形貌的影响，从试验结果中得出最佳工艺参数。

4.1 保温时间

在0.1 ℃/s 的升温速率以及不同的烧结温度下对互连接头进行无压烧结，并探究不同保温时间（10 min、30 min和50 min）对互连接头剪切强度的影响，如图3所示。保温时间从10 min提高到30 min，互连接头的剪切强度得到了巨大的提升，其中，在260℃的烧结温度下剪切强度提升最大，提高了138.1%。从30 min提高到50 min，互连接头的剪切强度普遍发生大幅度下降，其中，在260 ℃的烧结温度下剪切强度下降最多，下降了66%。这说明保温时间的提高，并不一定有利于提高互连接头的剪切强度。保温时间为10 min 和50 min 时，烧结温度的提高有助于提高互连接头的剪切强度；然而保温时间为30 min、烧结温度从260℃提高到300 ℃时，互连接头的剪切强度反而下降了22%。这说明保温时间和烧结温度共同决定了互连接头的烧结性能。当保温时间为30 min、烧结温度为260℃时，互连接头的剪切强度最高可达到5.0 MPa。

为了更加直观地观察保温时间对互连接头微观组织形貌的影响，检测在260℃的烧结温度、不同保温时间下互连接头的失效面，其SEM 图和孔隙图见图4。在不同保温时间下，可以观察到纳米铜颗粒之间存在烧结颈，说明接头已经形成良好的连接。孔隙率和互连强度具有密切的关系，通常孔隙率越高互连性能越好，互连接头的剪切强度越高。在保温时间为30 min时，互连接头的孔隙率最小，为19.7%；在保温时间分别为10 min 和50 min 时，孔隙率相对较大，分别为40%和38%。保温时间太短，纳米铜颗粒之间、纳米铜颗粒与铜基板之间的物质扩散相对较少，使得孔隙相对较大；保温时间太长，物质扩散会更倾向于发生在纳米铜颗粒之间，而不是纳米铜颗粒与铜基板之间的，这会造成纳米铜颗粒与铜基板之间形成较大的孔隙，导致互连接头的剪切强度降低。在保温时间为30 min 时，纳米铜颗粒之间以及铜颗粒、铜基板和芯片之间的物质扩散刚好处在一种平衡的状态，此时剪切强度达到最大。

4.2 升温速率

在保温时间为30 min 以及不同的烧结温度条件下，对互连接头进行无压烧结，并探究不同升温速率（0.1 ℃/s 和1 ℃/s）对互连接头剪切强度的影响，不同升温速率下互连接头的剪切强度如图5所示。当升温速率为0.1 ℃/s 时，互连接头剪切强度随着烧结温度的增加呈现先升高后降低的趋势，在烧结温度为260 ℃时，剪切强度达到最高，为5.0 MPa；当升温速率为1℃/s时，互连接头剪切强度随着烧结温度的增加呈现先降低后升高的趋势，在烧结温度为260℃时，剪切强度达到最低，为2.7 MPa。烧结温度为260 ℃时，升温速率为0.1 ℃/s 的互连接头剪切强度是升温速率为1℃/s 的互连接头剪切强度的近1.9 倍。而在烧结温度分别为220 ℃和300 ℃时，2 种升温速率下的互连接头剪切强度相差不大。这说明烧结温度和升温速率共同影响着互连接头的烧结性能。当烧结温度较低时，选择较高的升温速率，而当烧结温度较高时，选择较低的升温速率，均有助于提高互连接头的剪切强度。

图6是在烧结温度为260℃、不同升温速率下的互连接头失效面的SEM 图和孔隙图，从中可以更加直观地观察升温速率对互连接头微观组织形貌的影响。在2种升温速率下进行烧结时，纳米铜颗粒之间均已形成明显的烧结颈，烧结组织也较为粗大。在升温速率为0.1℃/s 时，纳米铜颗粒之间的孔隙小而多，孔隙率相对较小，为19.7%；在升温速率为1 ℃/s 时，纳米铜颗粒之间的孔隙大而少，孔隙率相对较大，为31%。大孔洞周围会出现较大的应力，这会降低互连接头的剪切强度。在较高的升温速率下，纳米铜膏样品中的溶剂在短时间内剧烈沸腾，同时快速地大量挥发，使得互连接头内部产生大的孔隙甚至是裂纹，这会极大地降低封装器件的可靠性。

4.3 烧结压力

在保温时间为30 min、升温速率为0.1 ℃/s 以及不同的烧结温度下，探究不同烧结压力（0 MPa、2 MPa和5 MPa）对互连接头剪切强度的影响，互连接头剪切强度如图7所示。在不同的烧结温度下，提高烧结压力都能提高互连接头的剪切强度，烧结压力和剪切强度呈正相关。然而，随着烧结压力的提升，压力对剪切强度的影响急剧变小，压力从0 MPa 提高到2 MPa时，剪切强度提升了100%~633.3%；从2 MPa 提高到5 MPa时，剪切强度的提升仅为16.4%~75%。只有在无压力下烧结时，压力对互连接头的剪切强度起到关键作用。当烧结压力较大时，会降低封装器件在低温烧结过程中的良率，通过增大烧结压力来提高互连接头剪切强度的意义不大。当烧结压力为5 MPa、烧结温度为300℃时，互连接头的剪切强度最大，为33.3 MPa。

图8 为当烧结压力分别为0 MPa 和2 MPa 时互连接头失效面的SEM 图和孔隙图，从中可以进一步探究烧结压力对互连接头微观组织形貌的影响。

从图8（a）可以看出，当温度为220~300 ℃时，无压烧结失效面的铜颗粒之间已经形成了明显的烧结颈，但是没有出现互连组织被剪切的痕迹，说明互连接头的烧结性能较差。从图8（b）可以看出，随着烧结温度的上升，在无压烧结失效面中的互连接头孔隙发生变化，在220℃时孔隙率为21.3%，在260 ℃时孔隙率降低至19.7%，在300℃时孔隙率上升至33.8%。从图8（c）可以看出，在2 MPa 的烧结压力下，烧结温度低至220℃，互连接头的失效面已经出现了明显的剪切痕迹，说明此时已经形成了有效的互连，且随着烧结温度的提高，剪切痕迹愈加明显，互连组织也愈加强壮。从图8（d）可以看出，随着烧结温度的提高，互连接头的孔隙逐渐减少，在220℃时孔隙率为14.7%，在260 ℃时孔隙率降低至11.5%，在300 ℃时降低至9.6%，且该互连接头的孔隙率明显低于无压烧结的互连接头，说明在2 MPa 的烧结压力下，随着烧结温度的提高，互连接头的剪切强度在进一步增强，且增加烧结压力有助于提高互连接头的剪切强度。

5 结论

本文探究了保温时间、升温速率和烧结压力对互连接头的剪切强度和失效面微观形貌的影响。在无压烧结时，随着保温时间的延长，互连接头的剪切强度先增大后减小。当保温时间为30 min时，互连接头的剪切强度最高，可以达到5.0 MPa。当烧结温度较低时，选择较高的升温速率，当烧结温度较高时，选择较低的升温速率，有助于提高互连接头的剪切强度。烧结压力的提高会增强互连接头的剪切强度，但是压力对剪切强度提升的影响会变小，在5 MPa 的烧结压力下，剪切强度能达到33.3 MPa。使用不添加烧结促进剂的铜膏在低温、低压下进行烧结，获得了高剪切强度的Cu-Cu互连接头，大大促进了铜膏在功率半导体器件封装中的互连应用。