新书推荐：《宽禁带半导体器件耐高温连接材料、工艺及可靠性》

创芯讲堂运营

图书简介

传统软钎料合金在微电子工业中已得到了广泛的应用，然而软钎料合金已经不能满足第三代宽禁带半导体（碳化硅和氮化镓）器件的高温应用需求。新型银烧结/铜烧结技术和瞬态液相键合技术是实现高温器件可靠连接的关键技术，该技术对新能源电动汽车、轨道交通、光伏、风电以及国防等领域具有重要意义。本书较为全面地介绍了当前用于高温环境下的芯片连接所涉及的新型互连材料的理论基础、工艺方法、失效机制、工艺设备、质量控制与可靠性。本书可作为功率电子领域材料、工艺和可靠性工程师的参考书，也可作为高校相关专业的教材。

新书上线7折福利，扫码购书

目　录

第1 章　银烧结技术和传统回流技术：连接工艺及其差异

1.1　引言
1.2　软钎焊技术
1.2.1　焊料熔点
1.2.2　界面反应
1.2.3　凝固
1.2.4　微观结构分析
1.3　银烧结技术
1.3.1　烧结驱动力
1.3.2　银烧结的过程
1.3.3　银互扩散层的形成
1.3.4　老化过程中的微观结构演变
1.4　银烧结与常用软钎焊材料的性能比较
1.5　烧结银的孔隙率
1.5.1　孔洞和气孔的定义说明
1.5.2　孔洞的形成及影响因素
1.5.3　孔隙率测定
1.5.4　孔隙率对机械性能的影响
1.5.5　孔隙率对热导率的影响
1.5.6　孔隙率对电导率的影响
1.6　总结与结论参考文献

第2 章　烧结银材料在LED 领域的应用

2.1　LED 芯片的连接应用简介
2.1.1　LED 介绍
2.1.2　常见的LED 芯片结构
2.1.3　用于LED 芯片连接的芯片贴装技术平台
2.1.4　LED 连接材料的选择
2.1.5　结论
2.2　大功率LED 应用的烧结银浆
2.2.1　用于 LED 的烧结银浆介绍
2.2.2　烧结银：分类、工艺条件及比较
2.2.3　烧结银浆的可靠性问题
2.2.4　结论
2.3　银- 银直接键合及其在LED 芯片连接中的应用
2.3.1　银- 银直接键合的基础介绍
2.3.2　氧在银- 银直接键合中的作用
2.3.3　残余应力在银- 银直接键合中的作用
2.3.4　纳米银小丘机制
2.3.5　结论
参考文献

第3 章　烧结银焊点工艺控制

3.1　引言：利用烧结银作为芯片连接材料
3.2　选择烧结银的因素
3.3　压力烧结与无压烧结的烧结银焊点比较
3.4　银烧结中的关键步骤
3.4.1　基板或晶圆印刷
3.4.2　预热
3.4.3　压力烧结设备
3.4.4　芯片塑封- 贴片- 压力烧结
3.5　大规模生产中银烧结的工艺控制
3.5.1　烧结银焊点的键合线厚度、孔隙率和圆角高度的控制
3.5.2　银烧结的模具设备控制 : 芯片的贴片、旋转和倾斜
3.5.3　确保芯片粘接强度
3.5.4　电气和可靠性测试
3.6　烧结银焊点的失效分析技术
3.6.1　差示扫描量热 - 热重分析仪（DSC-TGA）
3.6.2　热机械分析仪（TMA）
3.6.3　扫描电子显微镜 - 能谱仪（SEM-EDS）
3.6.4　透射电子显微镜（TEM）
3.6.5　飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）
3.6.6　软件建模与仿真
3.6.7　热成像
3.6.8　X 射线成像
3.6.9　C - 扫描声学显微镜（C-SAM）
3.7　结论和展望参考文献

第4 章　高温连接界面材料的热机械可靠性建模

4.1　引言
4.2　热机械建模
4.2.1　材料属性
4.2.2　模型设置
4.2.3　求解
4.2.4　应变能密度仿真结果
4.3　热机械建模中的断裂力学方法
4.3.1　循环加载的弹塑性断裂力学
4.3.2　ANSYS 中 J 积分的计算
4.3.3　其他断裂力学参数
4.4　关于烧结银的简要说明
4.5　结论参考文献

第5 章　烧结银焊点的可靠性和失效机制

5.1　引言
5.2　机械性能
5.2.1　弹性模量
5.2.2　强度
5.2.3　蠕变
5.2.4　疲劳和棘轮效应
5.3　烧结银焊点的可靠性评估
5.3.1　热老化
5.3.2　热循环
5.3.3　功率循环
5.3.4　烧结银的电化学迁移
5.4　结论与展望参考文献

第6 章　原子迁移诱发的烧结银形态变化

6.1　引言
6.2　热老化下的微观结构演化
6.2.1　热老化下微观结构的粗化
6.2.2　金属接触的扩散现象
6.3　烧结银中的电迁移
6.4　结论参考文献

第7 章　同等原则与作为芯片连接材料的烧结银膏

7.1　引言
7.2　同等原则的主要案例与准则
7.3　烧结银技术背景
7.4　烧结银膏的专利侵权分析
7.5　侵权测试与方法论
7.6　案例1 ：纳米银膏vs 微米银膏
7.7　案例2 ：纳米银膏vs 纳米银膏
7.8　结论参考文献

第8章　铜烧结技术：工艺与可靠性

8.1　功率半导体器件烧结技术简介
8.2　铜纳米粒子的制备
8.3　热性能
8.3.1　热阻的测量和热导率的估算
8.3.2　进一步模拟
8.4　可靠性
8.4.1　功率循环测试
8.4.2　热循环测试
8.5　结论参考文献

第9章　瞬态液相键合技术

9.1　引言：无铅耐高温连接技术挑战
9.2　瞬态液相键合：热力学的关键概念
9.2.1　铜- 锡二元系统：反应、金属间化合物的形成及相互扩散
9.2.2　铜- 镍二元系统：单一扩散
9.2.3　三元系统中沉淀物的析出
9.3　瞬态液相键合：动力学的关键概念
9.3.1　金属间化合物的增长率
9.3.2　反应几何形状对等温凝固速率的影响：改变反应的低温相体积和界面面积
9.4　制造和设计约束
9.5　润湿和微观结构的不均匀
9.5.1　不完全润湿
9.5.2　瞬态液相烧结系统中液体的再分布和多孔隙的形成
9.5.3　等温凝固和固态转变过程中孔隙的形成
9.6　商业电子产品的应用和技术要求
9.6.1　应用温度
9.6.2　应用需求
9.7　瞬态液相键合设计的一般热力学框架
9.7.1　二元瞬态液相键合系统
9.7.2　三元体系
9.8　与竞争技术的比较
9.8.1　焊料
9.8.2　烧结银
9.8.3　导电胶
9.8.4　与瞬态液相键合的力学性能比较
9.9　瞬态液相键合的工艺设计
9.9.1　流程优化
9.9.2　新工艺和几何结构
9.10　结论参考文献

第10章　恶劣环境下的芯片连接材料

10.1　引言
10.2　连接焊料
10.3　瞬态液相键合
10.3.1　含锡瞬态液相
10.3.2　金锡瞬态液相
10.3.3　瞬态液相烧结
10.3.4　液相扩散键合
10.4　基于聚合物的连接材料
10.4.1　各向异性导电膜
10.4.2　导电胶
10.4.3　导电环氧树脂
10.4.4　氰酸酯
10.4.5　银 - 玻璃基材料
10.5　引线框架
10.6　封装剂和黏合剂的选择过程
10.7　3D 集成的挑战
10.8　结论参考文献

新书上线7折福利，扫码购书

原书前言

七年前，当我撰写第一篇关于芯片连接的烧结纳米银工艺的评论文章时，我丝毫不会想到我还会编写一本关于该主题以及其他高温芯片连接材料的书，更遑论与来自澳大利亚、中国、日本、马来西亚、英国和美国的一群杰出研究人员进行合作了。更令人惊奇的是，我与这些研究人员中的大多数都未曾谋面，但他们却相信我将编写本书并能够最终完成。

因此，我非常感谢他们为这项先进、高效且环保的键合技术所付出的努力和做出的贡献，以应对当今严苛条件下半导体芯片连接领域的挑战。本书书名中的关键词是“高温（ high temperature）”和“芯片连接（ die-attach）”。那么，随着近几年宽禁带半导体进入主流制造领域，到底什么才是芯片连接应用中的“高温”呢？巧合的是，在第 37届国际电子制造技术会议期间，我有幸接待了Lee 博士（来自 Indium公司），并有幸成为 iNEMI联盟的一员。该联盟在 2017年正好讨论了高温芯片连接这一话题。

在为各种定义苦恼了好几个小时后，我决定将“高温”的开放式定义理解为在 200℃以上连续运行的情况，尽管其他人更倾向于认为这一定义取决于高温芯片连接材料的具体应用或市场细分。为符合欧盟指令，除了耐高温外，芯片连接材料还需要做到无铅化，以在电子产品中使用环保产品。目前，该要求仅在报废车辆的附件 2、8e和 RoHS7a 中得到豁免。但是，如果有替代品可用并且又证明其在技术上作为无铅芯片连接材料可行，则这种豁免可能会被取消。

因此，人们便有动力以新的键合材料“垄断”无铅芯片连接材料的市场，但过去的几次大规模测试中，所有尝试均未能取得成功。基于无铅和耐高温的双重要求，DA5芯片连接小组提出了四种主要替代方案，即导电胶、银（金属）烧结、瞬态液相烧结 /键合（ TLPS/TLPB）和焊接。导电胶显然不符合前面提及的连续高温操作的定义，而大多数可用的无铅焊料在 0.5Tm（均一化温度）以上的操作温度下将发生蠕变失效，进而无法在该温度下可靠地工作。

因此，因独有的高熔点，以银烧结、铜烧结与瞬态液相烧结为代表的烧结技术在这场高温连接材料竞赛中成为了zui初的赢家。银烧结技术构成了本书的大部分内容，但并不是因为我个人参与研发了这项技术，而是因为它的可用性，目前已有多家公司在大规模制造的环境中生产具有烧结银的功率模块和发光二极管（ LED）。

这种早期的制造经验值得我以单独的一章进行专门介绍，因为制造商们仍然面临着两难境地，即是现在就投资压力烧结设备，还是等待下一代的烧结银膏在连接的可靠性方面取得突破（详见第3章）。

此外，因为 LED 的芯片尺寸和接口有独特的烧结要求，所以第2章专门讨论了烧结银在 LED 应用中的使用。尽管在功率模块或 LED 中有了这些特定的应用要求，银烧结的基本原理依然保持不变。在zui初采用这项技术时，至关重要的一点便是确定烧结和焊接之间的差异之处，详见 1.4节。烧结是一种固态反应，不会经历液体到固体的转变，因而不存在自对准效应。

与焊接不同，烧结也没有任何在粘接步骤后返工的可能性。长期接触焊接的工程师们一个常见问题是“烧结银焊点（接头）中金属间化合物（IMC）的形成情况如何？”由于电力电子或模块中的大多数芯片连接粘接界面是银、铜或金，而银可与这三种元素形成固溶体，因此不会产生 IMC。不存在金属间化合物表明粘接可靠，但烧结银微结构固有的“不稳定性”要求在烧结过程中施加压力，这是一个在芯片连接过程中有些“不可思议”的工艺步骤。

基于这些一般的科学原理和观察，就可制造性而言，焊接更胜一筹。除了操作条件外，填充银片的导电胶和烧结银膏本身又有什么区别？虽然一些烧结银膏的配方中加入了聚合树脂，但大多数银膏是纯银填料，添加有黏合剂、溶剂和封端剂。这些银膏配方不会残留任何的助焊剂，因此在粘接过程结束后不需要清洁。亦可将黏合剂添加到这种银膏中，以克服银膏缺乏黏合力和基底特异性烧结的问题，但这通常又会导致热导率的降低。这些银黏合剂还具有与常用导电胶不同的回流曲线，导致掺入的银纳米颗粒在相邻的纳米颗粒与接合界面之间发生烧结。

烧结银不断演变的微观结构和形态值得本书单列一章（详见第6章）来讨论各种机制，包括烧结银中的电迁移；这与电化学迁移不同（详见第5章）。电迁移是金属线内的电子风将原子逐出，产生晶须和空洞，而电化学迁移是指金属离子在相邻金属导体间迁移，zui终形成枝晶。第5章还讨论了在不同机械性能 [即弹性模量、拉伸、剪切、蠕变和疲劳（棘轮效应）强度 ]以及在不同的应力条件下烧结银焊点的其他失效机制，例如机械应力或热应力（如热老化、热循环）和功率循环。常见的工程实践还要求在任何的实际制造之前，先进行电子封装的建模和仿真。这些仿真构成了第4章的基础，该章提供了多种选项和策略，以便从业人员在制造真正的银焊点之前了解烧结银的性能。

除银烧结外，铜是世界各地各团体积极研究的另一种金属，旨在解决烧结银技术中在某些利基市场中出现的“电化学迁移”问题（详见第8章）。几家膏料制造商和“压力烧结”设备制造商也准备好了工艺和设备，将烧结铜作为另一种可能的烧结膏料加入其项目中。第7章在三种烧结银膏配方的背景下讨论了尚存争议的“同等原则（DOE）”。作者提出了一种“法律拟制”的概念，即侵权产品具有与美国专利中所述相同的配方，并着手进行非文字侵权，即 DOE分析。

在典型的 DOE分析中，专利范围可以根据工艺、材料配方或产品中组成部分的功能、方式和结果进行扩展，超出专利权要求的字面含义。第9章无疑是迄今为止针对芯片连接应用的瞬态液相键合（ TLPB）主题所写的最全面的一章。TLPB也称为扩散焊接（由英飞凌技术公司研发），已经被用于大规模制造中利基产品的芯片连接，该章提供了各种信息，涉及科学、动力学以及不同的 TLPS方案，这些都可在工业实践和文献中找到。第10章由通用电气贝克休斯公司的两名工程师撰写，他们将自己在油田和能源行业应用中的丰富经验和知识浓缩成了简明易懂的文字，介绍了在高温应用中焊料、黏合剂和 TLPB的使用方法。

虽然这些黏合剂和焊料在严格意义上可能并不属于我前面提到的定义，但它们仍然应当包括在该章中，以便完成对高温芯片连接材料的讨论。其中，他们谈及了各种焊料，如 ZnSn、ZnAl、SnSb、AuGe，以及黏合剂，如氰酸酯和银玻璃。

本书中讨论的各种问题、材料和键合系统为业界寻找和实现真正的高温芯片连接技术带来了许多乐观的情绪。我希望本书的编辑和出版能对本行业的发展做出贡献，不论是否实现，我的目标现在已然交到了读者手中。

本书献给所有不知疲倦地工作着的工程师们，他们进行了大量评估以使这些技术开花结果。本书也离不开许多同事、学生、供应商、合作者、客户和雇主的支持（包括 UKM GGPM-2013-079 和 GUP-2017-055的研究资助），他们不断地提供反馈、鼓励，并为我提供了多年的资金支持。

特别感谢我的家人，尤其是我的妻子 Hui Min，感谢她的理解和耐心，使本书得以完成。自 2016年首次构思本书以来，她在诞下一个孩子的同时，还在本书的比喻和文字方面进行了繁重的工作，感谢她的辛勤付出！同时，我也感谢施普林格公司在我关于本书主题的评论论文被大量下载和引用后，第一时间找到我来编写本书。

萧景雄　　

于马来西亚雪兰莪州万宜镇

新书上线7折福利，扫码购书

原书序

微电子技术的发展正以前所未有的速度继续着——考虑到开发和制造的复杂性，从组成任何单个系统的许多不同功能的组件，到加工方法和材料的范围，再到诸如可靠性、耐温性、小型化和成本效益等竞争应用要求——这似乎令人震惊。

然而，也许正是这种开发任意一种组件、工艺或材料，都力求与整个系统视为一体的兼容性需求，加速了该领域研究专业的全面发展。除了小型化与鲁棒性问题以外，本书还重点聚焦了一个微电子应用领域的关键需求——高温需求，这是推动微电子行业发展的关键所在。

依赖高温微电子技术的行业在各国经济发展上也越发重要，包括新能源汽车（电动出行、混合动力和电动汽车中的电力电子技术）、传感器行业和照明行业（ LED 封装）。高达150℃的工作温度对这些领域的电子元器件及其互连提出了极高的要求，为适应严苛的操作工况，首先需要的是耐腐蚀、耐高温的新型封装材料，其次是合适的、成本效益良好的制造工艺。

芯片连接（ Die-Attach）是一个在半导体器件芯片与其封装之间建立电气连接的过程，在高温应用的性能和可靠性方面起着关键作用。由于它是与芯片接触的第一个封装层，因此优化芯片连接材料和加工技术至关重要。

我们现已开始对高温应用下的芯片连接的设计、材料、工艺、设备、制造、连接质量和连接可靠性问题进行了研究并获得了许多独到的看法和见解。有关芯片连接材料的热力学、动力学、微观结构、失效机制、制造工艺和可靠性等方面的重要参数现在也已经得到了广泛的研究。

然而，上述的这些研究结果往往都分散在不同的期刊、会议论文集和专家研讨会的独立出版物中。此前，没有任何专门为介绍最新的高温芯片连接技术而发表的单一信息来源。

本书旨在弥补这一点，力求在当中及时总结这一领域各个方面的进展。本书介绍了许多高温芯片连接领域相关的研究成果，并系统而详细地讨论了包括芯片连接材料（尤其是烧结银）、材料变形以及因材料变形而最终导致元器件失效的进展过程的微观结构。

本书另一个重要部分便是探索了热机械可靠性在这三个方面之间的联系，以期实现因果关系的全面概述，这是全面理解高温微电子技术中的芯片连接模块的先决条件。

本书讨论了三种不同的芯片连接技术——焊接、银烧结和瞬态液相键合（TLPB），其中涉及了环氧基芯片连接材料的相关方面。

在当今所使用的互连表面贴装技术（SMT）中，焊接可能是最受欢迎的。通常，工艺上使用锡基软焊料，而该焊料在 150℃以上的热机械应力下会很快失效，即使通过添加锑作为掺杂剂来提高强度后，该焊料也不适用。因此，本书的主要内容实际上将聚焦于银烧结工艺，这是另一种非常流行且可靠的连接技术，其工作温度超过 150℃。

但它也具有明显的缺点：一是其原材料的成本高昂；二是该技术所需的工艺较为复杂。此外，产生耐高温连接层的另一种选择是将接头完全转变为金属间相，这种方法称为 TLPB。本书的前 7章重点介绍银烧结技术——一种具有卓越导热性和导电性的创新技术。

在第 1章中， Chen和 Zhang两人提供了烧结与焊接过程的动力学和机理的基本理解；第 2章以 LED为应用实例，概述了银烧结技术的优点；

第 3章讨论了zui近引入的几种使得银烧结技术成功工业化的材料和技术，并论述了它们与焊料基和环氧基芯片连接材料的异同之处；在第 4章中，为获得准确的建模结果，并深入理解基于断裂力学的建模方法， Paret、DeVoto和 Narumanchi三人探索了银烧结工艺下的热力学建模；

第 5章讨论了功率应用环境下烧结银的可靠性和失效机理；在第 6章中，Mannan等人重点关注了扩散和电迁移在银烧结互连可靠性中日益增长的重要性，特别是烧结银的微结构对电荷迁移的影响；

第 7章讨论了三项专利中有关银膏配方的“同等原则”（即 DOE原则，但该原则存在争议）。同等原则认为：专利的权利要求可以超越其字面含义，应当包括那些在结果中表现出“实质上”等效的方式和方法，也称作三重同一性测试。虽然该章仅作为指南，不能替代法律建议，但它还是强调了此类在同等原则分析中使用的不同工具和限制。

本书的第 8~10章侧重于银烧结的替代方案，如果不讨论铜烧结，任何关于银烧结的讨论都是不完整的。在第8章中， Yamada讨论了铜烧结，这是一种极具前途的、低成本的银烧结替代技术，其具有较低的热膨胀系数（ CTE）和非常好的导电性和导热性，因此具有出色的机械鲁棒性和电导率；第 9章详细介绍了TLPB，它涉及将焊料层完全转变为金属间相，并评估了它作为一种新的芯片连接技术在高温和高可靠性应用中的适用性；

除了公认的 TLPB方法之外，第 10章采用了一种不同的方法，该方法将黏合剂和焊料作为用于恶劣条件的芯片连接材料，并对这些不同的材料系统在能源、石油和天然气行业中的常见应用进行了讨论。

本书主要面向以下三类专业读者：
• 参与或对芯片连接特别是烧结、焊接的研究和开发感兴趣的人员；
• 面临实际的芯片连接挑战并需要更加可靠的方法及解决方案的人员；
• 为互连系统寻求合适的，兼具高性能与高性价比的封装技术的人员。我希望本书能够成为一个有价值的参考资料来源，为所有面对挑战的人员提供参考，而这些挑战性问题大多是由于芯片连接材料越来越广泛地被人们应用于高温环境而产生的。我相信本书将促进对材料本身以及在微电子封装环境中应用它们所需的工艺的进一步研究和开发。


Rolf Aschenbrenner　　德国弗劳恩霍夫可靠性和微集成研究所

译者简介：

闫海东：工学博士、浙江大学杭州国际科创中心先进半导体研究院研究员、桂林电子科技大学硕士生导师。博士毕业于天津大学高温功率电子封装实验室，从事银烧结技术及工艺可靠性研究。目前致力于探索面向高温高频宽禁带器件用低温烧结材料、工艺及高可靠功率模块的封装集成技术研究。近年来，主持完成或在研国级、省部级课题及企业合作研发项目 8项，参与国家高技术研究发展计划（ 863计划）课题 1项，国家自然科学基金项目 4项，发表银烧结技术相关高水平学术论文 20余篇，申请或授权发明专利 10项。

译者序

近年来，随着功率半导体器件技术的快速发展，硅基 IGBT器件的结温已提升至其物理极限 175℃。硅基器件的结温局限正制约着电力电子系统高温环境的应用。作为重要的宽禁带半导体器件，碳化硅（ SiC）器件可工作在 200~225℃或更高的结温下。结温的大幅提升有助于拓展电力电子系统的高温应用能力和降低系统散热成本等。在新能源电动汽车、光伏、轨道交通、新一代移动通信、尖端国防装备等领域，SiC器件正逐渐得到广泛关注。

当前，基于典型硅基互连技术与硅基器件在力、热、电学性能方面具有良好的匹配。相比而言， SiC器件拥有约 1.5倍于硅基器件的结温、 3倍于硅基器件的热导率、 1/5硅基器件的导通电阻以及 3倍于硅基器件的杨氏模量。力、热、电学性能方面的巨大差异，使得传统软钎焊技术已逐渐无法满足 SiC器件的耐高温、高效散热、工艺兼容性要求，新型连接材料和工艺技术亟待发展。烧结银具有高的导热率、低的电阻率、优异的耐高温性能及与后续焊接工艺良好的兼容性，它特别适合作为高温 SiC器件的无铅连接界面材料。

本书分 10章，第 1章对银烧结技术与传统焊接技术的差异及各自的工艺特点进行了概述性介绍；第 2章以 LED应用为例介绍了银烧结的优点；第 3章主要介绍了银烧结技术及微观表征方法；第 4章主要介绍了烧结银界面的热机械可靠性建模的方法；第 5章讨论了电源应用环境下烧结银的可靠性和失效机理；第 6章主要介绍了扩散和电迁移对烧结银形态的影响；第 7章主要介绍了三项专利中有关银膏配方的“同等原则”；第 8章主要介绍了一种银烧结可替代技术——铜烧结；第 9章主要介绍了瞬态液相键合技术在高温和高可靠性应用中的优势；第 10章介绍了不同材料在恶劣条件下对芯片连接的作用。感谢国家自然科学基金“银纳米颗粒焊膏低温无压连接铜基 -SiC器件的无氧烧结机理研究”（No.51967005）、广西科技基地人才专项（桂科 AD20159081）、广西制造系统与先进制造技术重点实验室课题（No.19-050-44-006Z）、广西高校中青年教师科研能力提升项目（ No.2019KY0246）的资助。

感谢我的研究生梁培阶、吕国平、邓馨、刘昀粲、范寅祥对本书所做的工作。本书的原版中引用的资料来源较多，不同资料中的个别术语表述方式、一些单位名称及物理量符号的使用标准不甚一致，考虑到读者更直观易懂的阅读体验，译者对此进行了统一。此外，由于高温芯片连接材料涉及的知识面较宽，新材料和新工艺所涉及的概念和术语较多，书中有关词句的中文表达不当或不妥之处在所难免，希望发现疏漏和错误的读者给予及时的指正。

Newstyle

看着介绍，还不错！

skahill

Good info, thanks...

fhm858

谢谢了