善仁納米銀在微系統(tǒng)集成方面應用

1.引 言

納米技術對現(xiàn)代科技的推動顯示出了巨大的成效。在半導體制造領域內，納米技術使得摩爾定律得以延續(xù)。HP實驗室量子研究所負責人斯坦利指出，“納米技術具有長期的潛力，即使把微電子、塑料和鋼鐵加在一起，納米技術也能讓它們相形見絀”。

在納米技術領域，納米CMOS器件、碳納米管、納米晶體LED、納米草、納米開關、納米超導晶體管、納米硅膠等納米器件、納米材料先后被日本、 美國、歐盟等研究機構開發(fā)出來。基于納米技術的各種產品逐漸在市場上亮相。

隨著納米器件的出現(xiàn)，微電子封裝逐漸走向納電子封裝。美國喬治亞封裝研究中心的Tummala教授明確提出微系統(tǒng)封裝已經從毫米級、微米級走到納米級。隨著微系統(tǒng)技術的發(fā)展，高互聯(lián)密度的需求大大增加，新型納米材料將在微系統(tǒng)集成領域發(fā)揮關鍵作用。這些納米材料主要解決微型器件的饋電和射頻互聯(lián)，如圖1所示的納米銅 。

圖1通過電鍍法得到的納米結構的銅

2.納米銀性能簡介

微系統(tǒng)的性能、集成工藝、應用及發(fā)展等決定于構成微系統(tǒng)的各類材料，這類材料包括半導體材料、封裝基板材料、絕緣材料、導體材料、鍵合連接材料、封裝材料等。運用納米科技對微系統(tǒng)產品所用的材料進行改進，無疑會改善微系統(tǒng)的性能。微系統(tǒng)集成技術的進步與微系統(tǒng)封裝材料的發(fā)展是緊密相關的。

善仁新材料科學實驗證明，當材料顆粒達到納米級時，其具有很高的表面活性和表面能，這使得納米顆粒的熔點或者說燒結溫度遠低于塊體材料。但其燒結后形成的材料具有和塊體材料相似的熔點和性能。這就使其在微系統(tǒng)集成領域具有很廣闊的應用前景。

因金屬銀具有很高的熱導率、良好的導電性、抗腐蝕性及抗蠕變性能，且在服役過程中不存在固態(tài)老化現(xiàn)象。特別適合作為大功率產品的組裝材料。使得在眾多的納米材料中，納米銀成為研究比較熱門的封裝材料。

善仁新材研發(fā)的納米銀AS9000系列的主要特性之一就是低溫燒結，高溫服役。其燒結溫度可低至150℃，甚至室溫，再次熔化溫度理論上可達到960℃。這種特性對于復雜微系統(tǒng)產品集成具有明顯優(yōu)勢，特別是在多級組裝時，不再受溫度梯度的影響。可以說對微系統(tǒng)產品的集成工藝發(fā)展具有跨時代的意義。

3.納米銀在三維集成領域研究進展

從上個世紀80年代開始，納米銀已經被諸多學者及機構研究。在電子封裝領域，納米銀的應用研究稍晚。

SEMIKRON公司采用納米銀燒結技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Bongding技術制作出了IGBT模塊，如圖2和圖3所示所示。使用納米銀漿燒結技術后，不但組件的散熱問題，同時使組件的可裝性和可靠性大幅度提高。

圖2 納米銀漿在大功率產品中的應用形式

圖3 納米銀漿和傳統(tǒng)組裝方式對比

在電子封裝領域，納米銀漿較先被應用在大功率封裝領域。圖4到圖7所示為Guo-Quan Lu等人采用30nm-50nm的納米銀漿在275℃無壓狀態(tài)下獲得了良好的燒結接頭。接頭的致密度可達80%，剪切強度達到20MPa。燒結層的熱傳導率是普通共晶焊料的5 倍以上，這種由納米Ag 燒結層構成互連層的芯片基板互連技術是一種潛在的適合寬禁帶半導體器件（SiC或GaN）的技術。此外接頭還可承受300℃下，400小時的溫度存儲試驗。

圖4 2mmx3mm 硅功率MOSFET在DBC鍍銀面燒結

圖5 2mm x 2mm SiC器件在DBC鍍金面燒結

圖6 4mm×4mm SiC器件在銅鍍銀面燒結

圖7 2mm x 3mm 硅MOSFET在可閥合金上燒結

日本バソド化學公司2003年開發(fā)成功一種納米銀漿（粒徑數(shù)10nm），這種銀漿適用于樹脂系印刷電路板，可低溫燒成并保持低的電阻率，作為印刷電路板的微細電路構成將獲得實際應用。銀的熔點為961℃，而這種銀漿的熔點僅有100~150℃，可以用于各式各樣的印刷電路板貼裝。

Bai John G等人將含30 nm 納米銀粉的焊膏加熱到280℃，其密度可以達到全密度的80%。該燒結的多孔銀粉焊膏的熱傳導率240W/(K·m)，電導率約為3.8×105S/cm，彈性模量為約9 GPa，拉伸強度為43 MPa。這種材料的物理性能遠遠優(yōu)于普通釬料合金材料的性能，更適合應用于高可靠性領域。

Daisuke Wakuda, Keun-Soo Kim等人通過化學方法制備出納米銀，其平均直徑不到10nm如圖8所示。然后在其中加入少量烷基胺制備出納米銀漿。這種納米銀漿可在室溫下燒結，燒結時間在30min內，提高燒結溫度可加速燒結過程并進一步降低接頭的電阻率。23℃燒結接頭的電阻率低至4.9×10-6Ωm，150℃燒結接頭（圖9所示）的電阻率可低至3.2×10-7Ωm。接頭的剪切強度可達8MPa。美中不足的是接頭在燒結時需要大約1MPa的壓力。在一定程度上限制了其應用邊界。

圖8 Daisuke Wakuda等制備的納米銀顆粒TEM圖像

圖9 150℃燒結接頭TEM圖像

張穎川等采用化學還原法制備的平均直徑40nm的納米銀在5MPa、250℃下燒結5min后，其接頭剪切強度可達56MPa。

王帥、計紅軍等人采用化學還原方法制備了平均直徑10nm的納米銀漿，如圖10所示。這種納米銀漿在150℃-200℃之間保溫20min~30min可達到很好的燒結效果。而且燒結過程中不需要外加壓力，給應用帶來了很大靈活性。經試驗，其接頭的剪切強度達到25 MPa，熱導率值達到74 W/(m·K)，性能相當優(yōu)異。

圖10 王帥等制備的納米銀顆粒透射電鏡圖像

善仁新材制備出平均直徑10nm的納米銀導電漿料。這種導電漿料燒結后的表面形貌與納米銀的含量有關。當納米銀質量分數(shù)為30%時，在150 ℃就可以燒結得比較致密，并且具有良好的導電性。