第三代半導體低溫燒結納米銀膏技術匯總

以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第3代半導體材料，是繼以硅（Si）基半導體為代表的第1代半導體材料和以砷化鎵（GaAs）和銻化銦(InSb)為代表的第2代半導體材料之后，在近些年發展起來的新型半導體材料。與Si相比，GaN和SiC均具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率、更高的電子飽和速率及更高的載流子遷移率等特點，更適合當前對高功率、高溫、高能效以及輕便小型化的需求。第3代半導體憑借其優異屬性，在國內外得到了強烈關注，正在迅速崛起，應用前景和市場潛力巨大。

互連材料是連接半導體晶體管和元器件的關鍵材料，起著導電和導熱的作用，影響著元器件電路導通、功能實現和穩定性。由于第3代半導體器件工作環境較Si半導體更為惡劣，其器件封裝和互連也較傳統Si器件提出更高的要求。本文主要介紹可用于第3代半導體器件的互連材料。

一、第3代半導體材料

第3代半導體材料主要包括SiC、GaN、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)，這些材料禁帶寬度均＞2.2ev，被稱為寬禁帶半導體材料，亦被稱為高溫半導體材料。目前，從第3代半導體材料和器件的研究進展來看，較為成熟的是SiC和GaN半導體材料，人們對ZnO、金剛石和AlN等寬禁帶半導體材料的研究較少，尚屬起步階段。

表1列出了半導體材料的關鍵性能對比。可以看出SiC熱傳導率是傳統的Si、GaAs半導體材料的3～13倍，使得SiC器件可以在高溫下長時間穩定工作；SiC和GaN的臨界擊穿電場是傳統半導體材料的4～20倍，且具有更大的載流子飽和速率，在高功率電子器件方面有著巨大的性能優勢。

二、納米銀膏

燒結技術通過高溫使材料表面原子互相擴散，從而形成致密晶體的過程，是20世紀90年代初Schwarzbauer等人基于燒結理論發明的一種連接方法，被稱之為低溫燒結技術（LTJT）。通常通過減小燒結顆粒的尺寸，可降低燒結溫度。

納米銀粉由于其獨特的納米特性，為半導體芯片的封裝提供了另一個嶄新的思路。銀的熔點是961℃，而當顆粒尺寸到納米級別，其熔點會顯著降低，至100℃左右，因此可通過低溫燒結實現電子產品或芯片的互聯，而燒結后的燒結層熔點又恢復到銀的常規熔點，可滿足電子產品在高溫下正常使用，并且銀具有優異的導熱導電性和良好的化學穩定性，是第3代半導體封裝較具應用前景的互連材料。

近些年，國內外研究人員展開了對銀納米膏的制備、燒結工藝及導電導熱性能進行了大量分析評估。Moon[10]等的研究發現，20nm銀粒子在150℃即可表現出明顯的燒結行為，300℃下燒結可得到多孔優質銀膜。Akada等對燒結溫度和燒結氣氛對燒結接頭強度的影響做了研究。在國內，天津大學較早開展了銀納米膏低溫燒結技術的研究。并發明了一種新型低溫燒結納米銀技術，實現了多種具有雙面散熱能力的無引線封裝工。清華大學閆劍鋒等人對銀納米膏的燒結性能進行了研究，表明200℃條件下燒結30分鐘，銀燒結層為聯通多孔結構，高于250℃時銀顆粒出現明顯的長大現象，如圖2所示。天津大學楊呈祥等人開展了銀納米膏在大功率模塊的性能研究，與SnAg3.0Cu0.5和導電膠2種連接材料進行對比，結果表明銀納米膏封裝的大功率LED模塊光電性能優異，且具有較強的長期可靠性。

銅納米膏由于其優良的導電導熱性能和較低的成本也受到了廣泛關注，然而由于銅容易在空氣中被氧化，若想將納米銅顆粒用于半導體功率器件互連中，面臨一系列技術上的挑戰。僅有美國Lockheed Martin公司，英國Intrinsiq公司開發出了具有有機物包覆層的納米銅導電膏體。新加坡南陽理工大學C. S. Tan課題組使用美國Lockheed Martin公司的納米銅膏進行低溫燒結的研究，通過表面去氧化處理，摻雜微米銅顆粒等方法提高燒結結果。清華大學張穎川等人研究了銀銅混合納米膏的燒結特性，結果表明，制得的納米銀+納米銅混合焊膏具有良好的防氧化特性。

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納米膏由于可以實現低溫燒結高溫使用，為第3代半導體連接材料提供了一個嶄新的思路，但在產業化和大規模使用上還有很長的路要走，比如燒結焊層的孔隙率、與基材之間的結合強度、載體殘留等問題還需亟待解決。

三、展望

第3代半導體材料由于具有非常顯著的性能優勢和巨大的產業帶動作用，受到了世界各國的高度重視，歐美日等發達國家和地區都把發展第3代半導體技術列入國家戰略。我國也將第3代半導體產業納入戰略發展的重要產業，2013年科技部在國家高技術研究發展計劃(863計劃)新材料技術領域項目征集指南中，也特別指出了要將第3代半導體材料及應用列入重要研究內容。2015年，第3代半導體產業技術創新戰略聯盟（CASA）的成立，為我國第3代半導體的發展建立了研發和交流平臺，對推動我國第3代半導體材料及器件研發和相關產業發展具有重要意義。

第三代半導體材料是近年來迅速發展起來的以GaN、SiC和ZnO為代表的新型半導體材料，具有禁帶寬度大，擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高及抗輻射能力強的優點，是固態光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”，在半導體照明、新一代移動通信、智能電網、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領域有廣闊的應用前景，可望成為支撐信息、能源、交通、國防等發展的重點新材料，正在成為全球半導體產業新的戰略高地。